DD200936A1 - Verfahren und anordnung zur darstellung der spindichteverteilung in paramagnetischen proben - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die raeumliche Untersuchung von paramagnetischen Proben. Ziel der Erfindung ist es, eine zerstoerungsfreie, raeumliche Untersuchung der Verteilung von paramagnetischen Zentren in Proben mit Hilfe der EPR durchzufuehren. Die Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zu entwickeln, das unter Umgebung komplizierter mathematischer Entfaltungsoperationen die Regestrierung der 1-, 2- und 3dimensionalen Darstellung der EPR-Zentrenverteilung auch von Mehrlinienspektren und der unterschiedlichen Verteilung unterschiedlicher Zentrentypen ermoeglicht. Erfindungsgemaess wird dazu ein resultierendes orts- und zeitabhaengiges Feld in z-Richtung geschaffen, ohne die Modulation mit zwei Feldern unterschiedlicher Frequenz fuer die z-Ebenen bei phasenempfindlicher Gleichrichtung des Signals mit einer Frequenz * indp = p** indn (p = 1,2,3...) und eine Bildung des zeitlichen Mittelwerts ueber i Perioden durchgefuehrt und der Signalanteil aus der z indo -Ebene regestriert. Fig.3a

Description

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Verfahren und Anordnung zur Darstellung der Spindichteverteilung in paramagnetischen Proben

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die räumliche Untersuchung von paramagnetischen Proben, insbesondere

- Transportvorgänge und stationäre Verteilungen von paramagnetischen Zentren in Festkörpern, deren räumliche Zuordnung und ihre Diffusion

- Untersuchungen von StoffWechselvorgängen und pathologischen Veränderungen auf dein Gebiet der Medizin (z.B· freie Radikale im üumorgewebe) und für die Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Molekularbiologie

- Untersuchungen von Realstrukturen in Kristallen (z.B» Verteilung von Dotierungen bei Laserkristallen, Spannungsfelder an Grenzschichten)

- auf dem Gebiet der organischen Chemie zur Untersuchung der Verteilung von paramagnetischen Zentren in Hochpolvmerenfstabilitäts- und Diffusionsmessungen)«

Charakteristik der bekannten technischen Lösung

Für die zerstörungsfreie räumliche Untersuchung nichttransparenter Proben wurden in.den letzten Jahren einige

Methoden zu kommerzieller Reife entwickelt* Dazu gehören die Röntgentomografie, die Szintigrafie, die Thermografie und die Ultraschalldiagnostik·

Seit längerer Zeit wird auf dem Gebiet der MiR daran gearbeitet, diese Methode für die medizinische Ganzkörperuntersuchung nutzbar zu machen« Dabei beschränkt man sich überwiegend auf die Untersuchung der Verteilung der Protonenresonanz des im menschlichen Körper unterschiedlich beweglichen Wassers« Charakteristich für die HMR sind wesentlich größere T₁ - und T₀ - Zeiten (1O"*^JS bis einige Sekunden) als in der EPR ( 10" s bis 10 s )* Während man in der IMR mit Frequenzen im MHz-Gebiet (1,5 MHz bis 100 MHz) arbeitet, liegen die Frequenzen für die EPR im GHz-Bereich (2 GHz bis 35 GHz). Diese Unterschiede haben dazu geführt, daß für die Erfassung von Zeugmatograramen unterschiedliche Verfahren entwickelt worden sind, so daß auch die bisher existierenden Verfahren der MR-Zeugmatografie fij nicht oder nur bedingt auf die EPR übertragbar sind· Ein Vorteil der EPR gegenüber der HMR ist die um einige Größenordnungen höhere Empfindlichkeit, die es gestattet, die räumliche Verteilung von paramagnetischen Zentren in kleinen Proben (-<1 cur) sinnvoll zu untersuchen«

Gegenwärtig bekannte Verfahren in der EPR [ 2j arbeiten mit CW-Mikrowelleneinstrahlung und einem konstanten statischen bzw· gepulsten Gradientenfeld. Die Erzeugung des Gradientenfeldes erfolgt dabei einmal durch angenäherte Helmholtzspulen / 2 J und zum anderen durch einseitig abgeschrägte Polschuhe.

Durch die Variation des Gleichmagnetfeldes B wird für jeden Punkt der Probe die Resonanzbedingung zeitlich nacheinander erzeugt und so die Verteilung der gesuchten Zentren entlang des Gradienten als Funktion des Feldes B gemessen· Dabei wird vom Spektrometer das Faltungsprodukt I (B) zwischen der spek-

tralen Verteilungsfunktion g (B), die für das untersuchte Zentrum charakteristisch ist und im homogenen Feld bestimmt wird, und der Verteilungsfunktion der paramagnetischen Zentren S (B) in der Probe, registriert.

Die Bestimmung von S (B) muß durch eine Entfaltungsoperation geschehen· Aus S (B) kann dann die räumliche Verteilung der paramagnetischen Zentren ermittelt werden· Allgemein ungeklärt ist dabei die Entfaltungsoperation, die, besonders bei Mehrlinienspektren und verschiedenen Zentren unterschiedlicher Verteilung nicht lösbar erscheint und damit den entscheidenden Mangel des Verfahrens ausmacht·

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine zerstörungsfreie räumliche Untersuchung der Verteilung von paramagnetischen Zentren in Proben mit Hilfe der EPR durchzuführen·

Darlegung des Wesens der. Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das unter Umgehung komplizierter mathematischer Entfaltungsoperationen die Registrierung der 1-, 2- und 3~dimensionalen Darstellung der BPR-Zentrenverteilung auch von Mehrlinienspektren und der unterschiedlichen Verteilung unterschiedlicher Zentrentypen ermöglicht«

Erfindungsgemäß wird das bei einem Verfahren zur Darstellung von Spindichteverteilungen in einer parama- ' gnetischen Probe, bei dem zur Erzeugung der Resonanzbedingung ein hochfrequentes Magnetfeld der Prequenz coj und der Amplitude Bj und ein statisches Magnetfeld B an die Probe -gelegt werden und in dem

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weiterhin ein homogenes Wechselfeld der Amplitude B_n und ein zweites Wechselfeld mit ortsabhängiger Amplitude in mindestens einer Koordinatenrichtung s«B„ B (z) läng,? ^er 7_;-Aofrs& an. cb'.e Prob«= gelegt werden? wobei die Feldlinien von B , B_n und B_m in gleicher Richtung z.B. in z-Richtung und B₁ senkrecht dazu in x-Richtung oder y-Richtung verlaufen dadurch.erreicht, daß, zur Schaffung eines orts- und zeitabhängigen Feldes in z-Richtung das homogene Feld B_n mit einer Frequenz <v und das Gradientenfeld B (z) mit einer Frequenzen , wobei & £ ^_n* moduliert werden, wobei dieses resultierende orts- und zeitabhängige Feld in z-Richtung der mathematischen Beziehung

entspricht, seine Funktion ^(⁶^_1n ^) einen periodischen Verlauf hat, der z.B. einer Sinus-Dreieck- oder Sägezahnkurve entspricht und entsprechend dem Verlauf des Gradientenfeldes B„, (z) auf der z-Achse eine

Zq - Ebene existiert, die sogenannte ITullebene, in der B„ (z_n) « 0 und für alle anderen Ebenen z-^B (zi/# Z^) >0 ist, daß eine Modulation mit zwei Feldern unterschiedlicher Freauenz o> <gos und co,' ;

ΐΐ(ζ~· für die Zif- -Ebenen bei phasenempfindlicher

T2 '

Gleichrichtung des-Signals mit einer Frequenz ω = ρ ·ω (ρ = 1,2,3 ·.·) und eine Bildung des zeitlichen Mittelwertes über i-Perioden t.^= - -— (i = 1,2,3,4...)durchgeführt wird, was zur^p-ten Ableitung einer mit der Modulationsamplitude 1$ verbreiterten Linie führt, wobei deren Verlauf u.a. dadurch bestimmt ist, daß bei einem Feld?/ert B , der der maximalen Signalamplitude der p-ten Ableitung der nicht mit der Modulationsamplitude B verbreiterten Absorptionslinie entspricht, die Signalamplitude mit stei-

gendein B -Wert abnimmt, und ab einem bestimmten Ver-

ΠΙ η

hältnis —ψ¹ — (Δ B_1/o - Linienbreite) beim PeIdwert B verschwindet und daß nur der Signalanteil aus der z_n-Ebene registriert wird« Die Modulationsamplitude 'jS bestimmt die maximale Signalamplitude der p-ten Ableitung und führt ebenfalls für "B > 4 B. ^ zu einer sichtbaren Modulationsverbreiterung, die entgegen dem Verlauf für 1L bei iSj* 2 δ B. _/o für ρ = 1 ein Signalmaximum besitzt. Die mit "B > .^B., /p verbundene Zunahme von Δ Β erfordert jedoch größere Modulationsamplituden B , wenn die Auflösung nicht verschlechtert werden soll«

Zur Erfassung der Spindichteverteilung einer Probe in z-Hichtung wird erfindungsgemäß die z_Q-Ebene entlang der z-Achse verschoben»

Die Verschiebung der z_Q-Ebene kann dabei erfindungsgemäß durch Variation der das PeId B (z) erzeugenden Strome, durch Verschiebung des Spulenpaares, daß das Gradientenfeld erzeugt oder durch Verschiebung der Probe entlang der z-Achse durchgeführt werden*

Zur gezielten spektroskopischen Untersuchung.einer Ebene wird erfindungsgemäß die z_Q-Ebene des Gradientenfeldes auf die zu untersuchende Ebene gestellt und durch Variation des statischen B-Peldes das Spektrum für diese Ebene registriert, wobei die modulationsverbreiternden Anteile benachbarter Ebenen mitregistriert und durch Wahl geeigneter Modulationsamplituden B separiert werden»

Bei Proben mit einem Mehrlinienspektrum wird zur Registrierung der Spindichteverteilung der Wert des statischen Magnetfeldes B auf die Linie gestellt, die am wenigsten von den modulationsverbreiternden Anteilen der anderen beeinflußt wird und deren Signalamplitude bei B in Abhängigkeit von B am ehesten auf Null geht*

Die Untersuchung von Proben und Zentrentypen unterschiedlicher g-Paktoren und unterschiedlicher Verteilung ist möglich, in dem für jeden Zentrentyp der optimale B -Wert eingestellt und für diesen die Verteilung des jeweiligen Zentrentyps aufgezeichnet wird·

Pur die Darstellung der Verteilung von Zentrentypen unterschiedlicher g-Paktoren in einer Probe wird erfindungsgemäß das B-PeId auf den für jeden Zentrentyp optimalen B -Wert gestellt und für diesen die

Sr

Verteilung des jeweiligen Zentrentyp registriert.

Eine Erhöhung der Empfindlichkeit des Verfahrens "bei nur einem modulierten Gradientenfeld v/ird erfindungsgemäß so durchgeführt, daß dessen Richtung um eine Achse senkrecht zum Gradientenverlauf oder die Probe im Winkel von 0 - 180° gedreht, für jede Winkelstellung der Gradientenrichtung oder der Probe 1-dimen~ sionale Projektionsprofile registriert und die einzelnen Projektionsprofile durch mathematische Rekonstruktion zu einem 2-dimensionalen Bild zusammengestellt werden»

Zur Erzeugung 3-dimensionaler Bilder werden zwei modulierte Gradientenfelder z.B» B_n, (z) und B^ (y) ver~ wendet und eine Probendrehung um die y-Achse durchgeführt, um so durch Variation der Gradientenfeld-

stärke B_n; (y) die Dicke der dann anschließend 2-dimenz

sional untersuchten Probenquerschnitte entsprechend der in der Probe vorhandenen Zentrenkonzentration zu optimieren um eine 3-dimensionale Darstellung zu ermöglichen.

Die Drehung der Probe in einem EPR-Resonator führt zu Projektionsprofilen, die mit der By und Ej-Peldverteilung im Resonator korreliert sind» Pur eine schnelle Verfahrensdurchführung und Auswertung ist es angebracht, Resonanzmoden zu verwenden, die es gestatten, die Probe in einer Ebene zu drehen, die bezüglich der

Drehachse symmetrische oder annähernd konstante Bj-Peldverteilungen besitzen, so daß z.B* bei der Verwendung eines zylindrischen Resonators mit einer SB₀₁₁-Mode ringförmige Probenabschnitte gleicher Bj-Peldamplitude existieren und daß während der Drehung der Probe um die Zylinderachse (y-Achse) die EPR-Zentren mit gleichem Abstand von der Drehachse der gleichen Bj-Peldamplitude ausgesetzt sind. Bei der Drehung einer Probe mit hohem dielektrischen Verlustfaktor und nichtrotationssymmetrischen Probenmessungen kommt es bei einer nichtrotationssymmetrischen Ey-'Peldverteilung zu Güteänderungen des Hohlraumresonators· Ebenso führt die Verwendung nichtrotationssymmetrischer Objektträger (Probenaufnehiner) mit

^ 7 cο in einer nichtrotationssymmetrischen Ej-PeIdverteilung zu Verschiebungen der Resonanzfrequenz des Resonators und damit zur Verschiebung des Geldwertes B · Beides führt zur Abnahme der Signalintensität der Projektionsprofile. Für nichtrοtationssymmetrische E_T~Peldverteilungen sind deshalb rotationssymmetrische Objektträger und für dämpfende Proben rotationssymmetrische Probenmessungen zu verwenden«

Bei stark dämpfenden (wässrigen) Proben werden zweckmäßig scheibenförmige Proben benutzt und die Probe im minimalen Ej-PeId des Resonators, z.B. TE^o-Mode oder TM^Q-Mode, angeordnet und die Drehung nur in der Ebene des minimalen Ey-Feldes durchgeführt, um so 2-dimensionale Abbildungen hoher Empfindlichkeit erzeugen zu können. Pur eine schnelle Probenabtastung, insbesondere für 2-dimensionale oder 3-dimensionale Darstellungen, wird die Modulationsfrequenz so groß wie möglich gewählt, da die Bildung des zeitlichen Mittelwertes über einen Zeitraum von i-Perioden -£^= ^Ξ-ζ-ί= 1,2,3* erfolgt, der damit die Geschwindigkeit des gesamten Abtastprozesses bestimmt.

Zur Durchführung einer schnellen räumlichen Probenuntersuchung wird die .Probe zuerst insgesamt mit einem

Ιό Ι όΌ L L

groben Rastermaß und anschließend ausgewählte Bereiche mit einem Feinrastermaß abgetastet.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Darstellung von Spindichteverteilungen in einer paramagnetischen Probe, bei der in einem Mikrowellenblock ,,., Mikrowellenenergie im CT₁Y-Betrieb erzeugt wird, die in einem Resonator ein B^-FeId der Frequenz Co^ über der Probe erzeugt und bei der Spulen zur Erzeugung eines für die paramagnetische Resonanz notwendigen Gleichmagnetfeldes B angeordnet sind, wird erfindungsgemäß so aufgebaut, daß zur Erzeugung eines homogenen Wechselfeldes B. Spulen und ein Modulationsgenerator angeordnet sind, daß zur Erzeugung eines Gradientenfeldes B (z) gleichachsig zu den Spulen zwei Gradientenspulen angebracht sind, daß zur Signalverarbeitung dem Mikrowellenblock in Reihe ein Mikrowellendetektor, ein Verstärker und ein phasenempfindlicher . Gleichrichter nachgeordnet ist, daß zur Regelung, der Phasenbeziehungen zwischen dem Modulationsgenerator und dem phasenempfindlichen Gleichrichter ein Phasenschieber geschaltet ist, daß zur Bildung des zeitlichen Mittelwertes dem phasenempfindlichen Gleichrichter ein Siebglied nachgeschaltet ist, daß für 1-dimensionale Darstellungen dem Siebglied ein Gleichspannungsverstärker nachgeschaltet ist, dem ein Schreiboder Sichtgerät zugeordnet ist, daß zur 2- und--^-dimensional en Darstellung dem Siebglied ein Analog-Digital-Umwandler zugeordnet ist, dem zur Weiterverarbeitung und Bildrekonstruktion eine Recheneinheit nachgeschaltet ist und zur visuellen Darstellung das Schreiboder Sichtgerät der Recheneinheit zugeordnet ist, daß zur Erzeugung einer Modulationsfrequenz co ein Generator angeordnet ist, daß zur Festlegung der Größe des Magnetfeldgradienten ein Leistungsverstärker dem Generator nachgeschaltet ist, daß zur z_o~Ebenenverschiebung eine Steuereinheit dem Leistungsverstärker nachgeordnet ist, wobei sowohl der Generator, der Lei-

stungsverstärker und die Steuereinheit auch der Recheneinheit augeordnet sind, daß zur Probenabtastung eine Vorrichtung zur Probendrehung dem Resonator zugeordnet ist, und daß zur Einstellung des B -Wertes eine Magnetfeldregelung angeordnet ist_} die sowohl den Spulen für das Gleichmagnetfeld als auch der Recheneinheit zugeordnet ist.

Der besondere Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß mit ihm eine Möglichkeit geschaffen wird, eine ortsabhängige Darstellung der Spindichteverteilung in einer paramagnetischen Probe mittels der EPR ohne mathematischen Aufwand für Entfaltungsoperationen zu erzeugen«

Desweiteren besteht die Möglichkeit der Untersuchung ausgewählter Bereiche aufgrund des selektiven Charakters des Verfahrens und Aufzeichnung der spektralen Verteilungsfunktion für diese Bereiche* Ein weiterer besonderer Vorteil besteht in der Möglichkeit der Untersuchung von Proben mit verschiedenen Typen von paramagnetischen Zentren und Mehrlinienspektren und der Darstellung ihrer Verteilung»

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand der 1~dimensionalen Darstellung der Verteilung S (z) paramagnetischer Zentren parallel zum B-Feld (z-Richtung) erläutert werden. In den dazugehörigen Abbildungen zeigt:

Pig, 1 die 1« Ableitung einer Absorptionskurve mit einer Lorentzlinienform

Fig« 2 eine schematische Darstellung einer Zentrenverteilung von paramagnetischen Zentren S (z) mit einer dazugehörigen Darstellung der Feldverteilung B (z , z, t)

£ ö £ O Ό L· 4L ίο

Pig· 3a eine schematische Darstellung des Prinzips der Modulationsverbreiterung für die 1» Ableitung einer Lorentzlinie

Pig· 3b eine scnematische Darstellung des Prinzips der Modulationsverbreiterung für die 2· Ableitung einer Lorentzlinie

Pig. 4a eine schematische Darstellung eines Spektrums für den Pail, daß in der z_Q-Ebene paramagnetische Zentren mit einem Einebenenspektrum vorhanden sind, gemäß dem in Pig* gewählten Beispiel

Pig· 4b eine schematische Darstellung für den Pail, daß in der ζ -Ebene keine paramagnetischen Zentren vorhanden sind

Pig« 5 schematische Darstellung der Probenrotation in einem TEq₁^-Resonator

Pig. β schematische Darstellung der Drehung einer

scheibenförmigen Probe in einem TS_1Op-Resonat or

Pig· 7 schematische Darstellung der Drehung einer

scheibenförmigen Probe in einem TIvL ^₀ -Resonator

Pig. 8 ein-Blockschaltbild für eine Anordnung zur Drehführung des Verfahrens zur Bestimmung der Spindichteverteilung_e

Wie in Pig. 2 dargestellt, besteht die Probe aus mehreren, senkrecht zur z-Richtung verlaufenden Streifen der Breite b von paramagnetischen Zentren gleichen Typs und gleicher Konzentration, die im Abstand b voneinander entfernt sind·

Die Absorptionskurve dieser Zentren soll einer Lorentzlinie entsprechen.

Bei konstanter Mikrowellenfrequenz &/_, einer Amplitude B_T und veränderlichem B-PeId wird zuerst das EPR-Spektrum, dessen 1* Ableitung durch die Funktion 7'(B), wie in Pig« 1 dargestellt, beschrieben wird, für die gesamte Probe registriert. Dabei wird das JB^FeId mit einer Frequenz ^_n und einer Amplitude ß_ir- 3l s/h co^ £ moduliert« Der nachweis des SPR-Signals erfolgt durch phasenempfindliche Gleichrichtung mit«^, so daß die 1. Ableitung der Absorptionskurve registriert wird* Der Wert des magnetischen Gleichfeldes wird auf den Wert B., der der maximalen Signalamplitude der 1» Ableitung entspricht,' gestellt, so daß

B - B₁ = B₀ - (B₀ = Resonanzfeldwert)

wobei Δ Bf₁ die Wendepunktbreite für die 1· Ableitung einer Lorentzlinie ist*

für Lorentz- {a -⁶I/? ~ Halbwertsbreite) linien und

-^4B1/2

Diese Signalamplitude ist proportional der Konzentration der paramagnetischen Zentren in der gesamten Probe« Jedes Volumenelement der Probe liefert demzufolge entsprechend der Konzentration von paramagnetischen Zentren einen Beitrag zu dieser Signalamplitude·

Zur Darstellung der eindimensionalen Verteilung der Konzentration von paramagnetischen Zentren in z-Richtung wird zusätzlich ein sinusförmig modulierter Magnetfeldgradient der Frequenz &> und ortsabhängiger Amplitude B (z) in z-Richtung an die Probe gelegt, so daß

sich für die orts- und zeitabhängige Feldverteilung über der Probe folgende Besiehung ergibt·

% Ct_tz_9i Zf) -B₁* ψ si» C

wobei ζ = Position der Uull-Ebene des Gradientenfeldes für die B_m (z ) = 0

ζ ^= laufende z-Koordinate für die

"R (<7 ο ^ > D

Für Ct/^, und tv> gilt die Bedingung 60?.. ; ολ^ <<Γ -—-η m '2.

(2p = Spin-Spin-Relaxationszeit)

Mit zunehmender Entfernung voj^ der ζ -Ebene wächst entsprechend dem Feldanstieg ^J^2L. des modulierten Gra~ dienten der Feldänderungsbereich B d.h*, die Modulationsamplitude 5* = —22-—S-a'i» ty._;i,ffür die außerhalb der ζ -Ebene gelegenen Zentren» Für jede Probenebene ζ ^ ([^= + 1 ··· if) entsteht entsprechend der Konzentration der paramagnetischen Zentren ein modulationsverbreitertes Spektrum

CS) *.f L t,

sofern die Signalverarbeitung über eine Zeitkonstante t y~- erfolgt.

Damit stellt jeder Punkt dieses Spektrums die zeitlich lineargemittelte Signalamplitude der mit der Frequenz co (wobei co_m-<^ co ) und der Amplitude B abgetasteten ersten Ableitung der Absorptionskurve um den entsprechenden Peldpunkt B dar.

Anhand der in Fig«, 3a dargestellten Spektren für die einzelnen Ebenen z^wird das Wesen des "Verfahrens deutlich« So führt die Modulation mit einer zweiten Frequenz OJ₁^ zu einem Spektrum, dessen Signalwert beim Feldwert B in Abhängigkeit von "B_m IΔ B^y₂ abnimmt.

ISI'Sbl 2

Pur genügend große "B„ verschwindet der Signalwert

Iu

an dieser Stelle. Auf diese Weise ist es möglich, mit einem entsprechend großen Gradientenfeld alle außerhalb der ζ -Ebene entstehenden Absorptionsspektren derart zu verbreitern, daß sie beim Feldwert B^ keinen Signalbeitrag mehr geben und somit überwiegend der Signalwert aus der ζ -Ebene registriert werden kann. Durch Verschiebung der ζ -Ebene entlang der z-Achse wird die eindimensionale Darstellung der Verteilung der paramagnetischen Zentren in z-Richtung registriert*

Eine zweite Variante des Verfahrens besteht darin, daß man für jede ζ -Ebene das Spektrum der dort vorhandenen paramagnetischen Zentren durch Variationen von B ermitteln kann* So ist eine spezielle spektroskopische Charakterisierung ausgewählter Probenbereiche möglich. Bei der Registrierring der Spektren ist zu beachten, daß die modulationsverbreiterten Anteile der außerhalb von ζ gelegenen Ebenen mitregistriert werden, deren Amplituden bei ausreichend großem Gradientenfeld genügend klein gehalten v/erden können. Pig. 4a zeigt ein Spektrum für den Pail, daß die ζ -Ebene in einer Schicht liegt, wo paramagnetische Zentren vorhanden sind, während Pig. 4b ein Spektrum für eine ζ -Ebene zeigt, die in einer Schicht liegt, in der keine paramagnetischen Zentren vorhanden sind (entsprechend dem in Pig. 2 gewählten Beispiel).

Sind in einer Probe paramagnetische Zentren mit einem Me hcrlinienspektrum- vorhanden, so ist anhand des Verbreiterungsverhaltens des Mehrlinienspektrums, die junge Linie auszuwählen, die am wenigsten von den verbreiterten Anteilen der Uachbarlinien beeinflußt wird und deren Signalamplitude beim Peldwert B in Abhängigkeit von der Modulationsamplitude B am ehesten auf Mull geht. Das Auswahlkriterium richtet sich dabei nach der Größe der Signalamplitude bei B , nach der Linienbreite Δ B., _/o und dem Abstand von den anderen Linien* Die Verwendung der zweiten Ableitung Y"

kann hier allerdings auf Kosten einer geringeren Signalamplitude zu einer besseren Auflösung führen, da die Amplitudenabnahme der verbreiterten Anteile der Τ·?.ώχρ "bei. clPlc'b^M P we.fifintlich größer i.ft-, 8.1b "bei. der ersten Ableitung, Pig« 3b» Das magnetische Gleichfeld wird bei der Registrierung der Verteilung der paramagnetischen Zentren mit der 2* Ableitung auf B = B₂ = B_Q gestellt*

Die Darstellung der Verteilung von unterschiedlichen Zentrentypen unterschiedlicher Verteilung in einer Probe ist nur dann möglich, wenn die Spektrallinien der unterschiedlichen Zentrentypen im homogenen B-Feld voneinander getrennt sind, d*h. wenn die Zentrentypen deutlich unterscheidbare g-Faktoren besitzen,, Heben einer eindimensionalen Darstellung der Verteilung von paramagnetischen Zentren sind auch zwei- und dreidimensionale Darstellungen von Interesse»

Unter Ausnutzung des modulierten Magnetfeldgradienten bieten sich prinzipiell zwei Wege an» So können 2D- und 3D~Darsteilungen, die durch Verwendung von zv/ei bzw* drei orthogonalen modulierten Gra-

s\* S\s S\*

dienten B (z); B_n. (x); B_n, (y) erzeugt werden, wobei

ZZZ

die Feldlinie in z-Richtung weisen muß und die Feldliniendichte in x- bzw«, y-Richtung inhomogen-ist* Die Abtastung der Probe mit den auf diese Art und Weise entstehenden ilullinien bzw« Uullpunktelementen führt ohne größeren Rechenaufwand zu sofortigen 2D- bzw.

3D-Darstellungen«. . — _.

Die Wahl der Modulationsfrequenzen für die einzelnen Gradientenfelder kann unterschiedlich sein, jedoch muß die Bedingung ⁶^ _m ^<^^co-_a eingehalten werden* Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in einer sofortigen direkten 2D bzw·. 3D-Registrierung der Spindichteverteilung* Ein wesentlicher Nachteil des Verfahrens ist jedoch die Abnahme der Empfindlichkeit mit der Zunahme der Anzahl der modulierten Gradientenfelder. Bei Annahme einer

£. <J L· O U L C

Probe mit jeweils h-signalgebenden Zentren inx, y und z-Richtung, also h. -Signalelementen, ist die Empfindlichkeit (Ξ)

E^-γ- k = 1; 2; 3

k = Anzahl der orthogonalen Gradientenfelder.

Außerdem ist die technische Realisierung von drei orthogonalen Gradientenfeldern mit jeweils y &*» y 0,1 T/cm sehr schwierig.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß man nur mit einem modulierten Gradientenfeld arbeitet, dessen Richtung um eine Achse senkrecht zum Gradientenverlauf im Winkel von 0 - 180° gedreht wird, Technisch einfacher ist die Drehung der Probe« Pur jede Winkeleinstellung ergeben sich entsprechende 1D-Projektionsprofile, die mit Hilfe eines mathematischen Rekonstruktionsprogramms zu einem 2D-BiId zusammengestellt γ/erden können,,

Da man in der EPR im allgemeinen mit Hohlraumresonatoren definierte Ey~ und Bj-Feldverteilung zum Zwecke der Steigerung der Mikrowellenleistung am Probenort arbeitet, muß bei der Darstellung der Verteilung von paramagnetischen Zentren die Verteilung des Ej- und Bj-3?eldes über der im Resonator befindlichen Probe bei der exakten Bestimmung der Intensitätsverteilung der paramagnetischen Zentren berücksichtigt werden. Eine Drehung der Probe in diesem Hohlraumresonator führt dann zu Projektionsprofilen, die entsprechend der jeweiligen Lage der Probe mit der dazugehörigen Bj- und Ej-Verteilung korreliert sind. Pur eine schnelle Verfahrensdurchführung und Auswertung ist es angebracht, Resonanzmoden zu verwenden, die es gestatten, die Probe in einer Ebene zu drehen, die bezüglich der Drehachse symmetrische oder annähernd konstante Bj-Peldverteilungen besitzen, so daß ζ«Β« bei der Verwendung eines zylindrischen Resonators mit TE₀₁^-Mode, Fig* 5, ringförmige Probenabschnitte

gleicher Bj-FeIdarnplitude existieren und daß während der Drehung der Probe um die Zylinderachse (y-Achse) die EPR-Zentren mit gleichem Abstand von der Drehachse der gleichen B-r-Feldamplitude ausgesetzt sind« Die Drehung einer Probe mit hohem dielektrischen Verlustfaktor und nichtrotationssymmetrischen Probenabmessungen führt bei einer nichtrotationssymmetrischen Ej~Feldverteilung zu Güteänderungen des Resonators* Ebenso führt die Verwendung von nichtrotationssymmetrischen Objektträgern (Probenaufnehmer) mit £ /t^ bei einer nichtrotationssymmetrischen Ej-Feldverteilung zur Verschiebung der Resonanzfrequenz -oj>_t des Resonators und damit zur Verschiebung des Feldwertes B . Beides führt zur Abnahme der Signalintensität und zu Verfälschungen des Projektionsprofiles» Bei der Drehung der Probe um eine Achse mit einer nichtrotationssymmetrischen E-^-Feldverteilung sind deshalb rotationssymmetrische Probenabmessungen zu verwenden*

Bei der Untersuchung von stark dämpfenden (wässrigen) Proben ist es angebracht, diese nur in Bereichen mit geringer Ej-FeIdstärke anzuordnen, um einen zu starken Abfall der Resonanzgüte des Resonators zu vermeiden« Die Verwendung von Resonatoren mit einem TE₁₀₂- oder TlI₁₁Q-MOdO bietet sich für derartige Proben an, da sie eine Ebene mit einer minimalen Ej-FeIdstärke besitzen, Fig. β und Fig. 7» die eine empfindliche Messung von dünnen, scheibenförmigen Proben gestattet* Um Güte- und Frequenzänderungen zu vermeiden, ist es sinnvoll, die Proben nur in der Ebene des minimalen Ej-Feldes zu drehen.

Auf diese Weise ist es möglich, mit einer hohen Meßempfindlichkeit zu arbeiten und den rechentechnischen Aufwand, für die Bildrekonstruktion in Grenzen zu halten. Ähnlich kann bei der Ermittlung von 3D-Bildern verfahren v/erden« So können z*B_e unter Verwendung von 2 mo-

dulierten orthogonalen Gradientenfeldern B„ (ζ) und β' (y) und Drehung der Probe um die y-Achse 2D-Bllder für jede y -Ebene aufgezeichnet werden· Entsprechend der Konzentration der paramagnetischen Zentren in der Probe wird die Breite der y -Ebene durch Variation der Gradientenfeldstärke optimiert, um so eine sinnvolle dreidimensionale Abtastung der Probe zu ermöglichen· Der Vorteil der letztgenannten Vorgehensweise besteht in der Erhöhung der Empfindlichkeit· Das geht allerdings auf Kosten eines erhöhten mathematischen Aufwandes*

Die technische Realisierung des dargelegten Verfahrens wird hauptsächlich bestimmt durch die Erzeugung und Beherrschung von modulierten Magnetfeldern mit hoher Feldstärkeänderung über der Probe· Im Gegensatz zum Verfahren mit statischen Gradienten, v/o es darauf an-"koiamt, daß der Gradientenanstieg linear und homogen über das gesamte Probenvolumen ist, kommt es beim Verfahren mit modulierten Gradienten darauf an, daß in unmittelbarer Mhe der ITullebene die* Feldänderung sehr groß ist, um dort eine große Linienverbreiterung und damit eine hohe Auflösung zu erreichen«. Es ist nicht erforderlich, daß der Gradientenanstieg linear und homogen über das gesamte Probenvolumen ist· Für eine gleichmäßige Auflösung ist es allerdings notwendig, daß die einmal gewählte Feldänderung in unmittelbarer Mhe der Ifullebene, bei deren Verschiebung entlang der Gradientenachse, erhalten bleibt· Der Wert der Gradientenfeldstärke um ζ ist abhängig von der geforderten Auflösung·

Da in der EPR allgemein ^B-j/p ^ ^,01 ml ist, ergeben sich bei einer Auflösung von ^i s^iO yum Gradientenfeldstärken von -i~fe.>0,1 T/cm·

Die Erzeugung derartiger Gradientenfelder ist z«Z„ technisch nur für HF-Frequenzen im Bereich von 10 Hz bis 5000 Hz bedingt mögliche Da die Frequenzen für ein optimales Signal-Rauschverhältnis allgemein für die

C *S £. V VJ £. im

1, Ableitung 6^_n1 = 2 7· 100 kHz bzw. für die 2. Ableitung ^_η2 = ^2ϊΓ'· 50 kHz betragen, gilt die Bedingung

Pur eine schnelle datenmäßige Erfassung ist es notwendig, ^ möglichst groß zu machen, da die Bildung des zeitlichen linearen Mittelwertes zumindest über eine Periode t = erfolgen muß. Diese Mittelwertbildung kann technisch durch ein Siebglied, im einfachsten Falle ein RC-Glied, realisiert werden_s dessen Zeitkonstante ty^J" <3-ie zeitliche Erfassung bestimmte Ebenso ist es verfahrensmäßig möglich, «^ >7^ zu

πι η

wählen«

Die Zeitkonstante des Siebgliedes wird dann durch bestimmt —*»^^^ . Da jedoch die Erzeugung von PeIdgradienten 0,1 T/cm für Frequenzen über 1 kHz technisch ebenfalls sehr schwierig ist und das Signal-Rauschverhalten für u> 7 2*1 kHz günstiger wird, wählt man besser ^™«" ^_n*

Im Interesse einer schnellen räumlichen Erfassung der paramagnetischen Zentren in der Probe bietet das Verfahren jedoch die Möglichkeit, die Probe mit einem groben Rastermaß, d.h. unter Verwendung von niedrigen Gradientenfeldstärken, in einem relativ kurzen Zeitraum abzutasten» Anschließend können dann interessierende Bereiche mit einem feinen Rastermaß (hohe Gradientenfeldstärke) abgetastet werden»

Eine mögliche Anordnung für die Durchführung des beschriebenen Verfahrens zeigt Pig« 8. Dabei handelt es sich um die Aufnahme von jeweils 1D-Projektionen» Durch Drehimg der Probe 3 und eine anschließend durchgeführte Bildrekonstruktion mit Hilfe eines Rechners können 2D- und 3D-Darstellungen registriert werden«

In einem Mikrowellenblock 1 wird die Mikrowellen-

energie erzeugt (CW-Betrieb, die in einem Resonator 2 ein Βγ-Feld der !Frequenz j über der Probe 3 aufbaut. Spulen 4 erzeugen das für die paramagnetische Resonanz notwendige C-leichinagnetfeld B. In Spulen 6 wird mit einem Modulationsgenerator 5 das homogene Wechselfeld B_n erzeugt. Das Gradientenfeld B_m (z) erzeugen zwei Gradientenfeldspulen 8.

Die Signalverarbeitung erfolgt über einen Mikrowellendetektor 9, einen Verstärker 10 und einen phasenempfindlichen Gleichrichter 11· Ein Phasenschieber 12 regelt die Phasenbeziehungen zwischen der lachweisfrequenz co und dem PED 11. Die Bildung des seitlichen Mittelwertes erfolgt in einem Siebglied 13 - im einfachsten Fall ein RC-GIied.

Eindimensionale Darstellungen können sofort über einen Gleichspannungsverstärker 14» einem Schreiber oder Sichtgerät 15 zugeführt und abgebildet werden. Für die Bildung von 2D- und 3D-Darstellungen ist es notwendig, die erhaltenen Daten der einzelnen Projektionen über einem Analog-Digital-ümwandler 16 in einen Rechner einzugeben und dort die 7/eiterverarbeitung und Bildrekonstruktion mit geeigneten mathematischen Programmen durchzuführen. Die visuelle Darstellung erfolgt dann ebenfalls über ein Sichtgerät bzw. einen Schreiber 15·

Die zweite Aufgabe der Recheneinheit 17 ist die Steuerung des gesamten Bildaufnahmeprozesses, d. 3a. die Steuerung der dafür zuständigen Einheiten. Ein Generator 19 erzeugt die Modulationsfrequenz o> des Magnetfeldgradienten und beeinflußt damit die Geschwindigkeit des Abtastprozesses. Über einen Leistungsverstärker 20 wird die Größe des Magnetfeldgradienten und damit die Bildauflösung festgelegt. Die eigentliche Probenabtastung erfolgt dann mit einer Steuereinheit 21 für die ζ -Ebenenverschiebung und der Vorrichtung für die Probendrehung 7·

Über eine Magnetfeldregelung 18 wird der 3 -Wert eingestellt und bei gezielten spektroskopischen Untersuchungen einzelner Probenorte die Variation des B-Feldes durchgeführt.

Claims (3)

1. ""Ί S—*

   Erfindungsanspruch

   1. Verfahren zur Darstellung von Spindichteverteiluiigfcii -Lu eiLiicx" pai-cü'iicigiie'i/iüüheii Probe, bei dein zur Erzeugung der Resonanzbedingung ein hochfrequentes Magnetfeld der Frequenz £° und der Amplitude Bj und ein statisches Magnetfeld B an die Probe gelegt werden und in dem weiterhin ein homogenes Wechselfeld der Amplitude B und ein zweites Wechselfeld mit ortsabhängiger Amplitude in mindestens einer Koordinatenrichtung z« B* B (z) längs der z~Achse an die Probe gelegt wird, wobei die Feldlinien yon B , B und B in gleicher Richtung z. 3« in z-Richtüng und By senkrecht dazu in x-Richtung oder y-Richtung verlaufen, gele emiz ei clone t dadurch, daß zur Schaffung eines orts- und zeitabhängigen Feldes in z-Richtung das homogene Feld B mit einer Frequenz w und das Gradientenfeld B (z) mit einer Frequenz <^ , wobei oj φ to moduliert werden, wobei dieses resultierende orts- und zeitabhängige Feld in z-Richtung der mathematischen Beziehung

   entspricht, seine Funktion ^^°°_η "^ einen periodischen Verlauf hat, der z«B. einer Sinus-Dreieckoder Sägezahnkurve entspricht und entsprechend dem Verlauf des Gradientenfeldes B (z) auf der z-Achse eine ζ -Ebene existiert, die sogenannte Eullebene, in der B(z ) = 0 und für alle anderen Ebenen z^-B (z^z. £ ζ ) > 0 ist, daß eine Modulation mit zwei Feldern unterschiedlicher Frequenz co <-<r oj und ^_n; ^Co _m ^t₁. ^^ ^-^e z^-Ebenen bei phasenempfindlicher Gleichrichtung des Signals mit einer Frequenz ^ = ρ ·^_n (ρ = 1,2,3···) und eine Bildung des zeltlichen Mittelv/ertes über i-Perioden (i = 1,2,3j4·.··) durchgeführt wird,

   Y/as zur p-ten Ableitung einer mit der Modulationsamplitude B verbreiterten Linie führt, wobei deren Verlauf u*a«, dadurch bestimmt ist, daß bei einem Peldwer-t B , der der maximalen Signalamplitude der p-ten Ableitung der Absorptionslinie entspricht , die Signalamplitude mit steigendem 'B -Wert abnimmt, und ab einem bestimmten Verhältnis B**/'«^ (δ B₁ /p-Linienbreite) beim Feldwert B verschwindet und daß nur der Signalanteil aus der ζ -Ebene registriert wird»

   2β Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß zur Erfassung der Spindichteverteilung einer Probe in z-Richtung die ζ -Ebene entlang der z-Achse verschoben wird«

   3» Verfahren nach Anspruch 2 gekennzeichnet dadurch, daß die Verschiebung der ζ -Ebene durch Variation der das Feld B (z) erzeugenden Ströme durchgeführt wird«

   4» Verfahren nach Anspruch 2" "gekennzeichnet dadurch, daß die Verschiebung der ζ -Ebene durch Verschiebung des Spulenpaares, das das Gradientenfeld erzeugt, durchgeführt wird«

   5« Verfahren nach Anspruch 2 gekennzeichnet dadurch, daß die Verschiebung der ζ -Ebene durch Verschiebung der Probe entlang der z-Achse durchgeführt wird»
2. 6. Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß zur gezielten spektroskopischen Untersuchung einer Ebene die ζ -Ebene des Gradientenfeldes auf die zu untersuchende Ebene gestellt wird und durch Variation des statischen B-Feldes das Spektrum für diese Ebene registriert wird, wobei die modulationsverbreiternden Anteile benachbarter Ebenen mitregistriert und durch Y/ahl geeigneter Modulationsamplituden B_m separiert werden.

   7· Verfahren nach Anspruch 1 bis 6 gekennzeichnet dadurch, daß zur Registrierung der Spindichteverteilung für eine Probe mit einem Mehrlinienspektrum, der Wert des statischen Magnetfeldes B^ auf

   i.' die Linie gestellt wird, die am wenigsten von den modulationsverbreiternden Anteilen der anderen Linien beeinflußt wird und deren Signalamplitude bei B in Abhängigkeit von B_m am ehesten auf UuIl geht»

   8» Verfahren nach Anspruch 1 bis 7 gekennzeichnet dadurch, daß für die Darstellung der Verteilung von Zentrentypen unterschiedlicher g-Paktoren in einer Probe, das B-PeId auf den für jeden Zentrentyp optimalen B -Wert gestellt und für diesen die Verteilung des jeweiligen Zentrentyps registriert wird«

   9· Verfahren nach Anspruch 1 bis 7 gekennzeichnet dadurch, daß zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Verfahrens bei Verwendung nur eines modulierten Gradientenfeldes, dessen Richtung urn eine Achse senkrecht zum Gradientenverlauf oder der Probe im Winkel " von 0 - 180° gedreht, für jede Winkelstellung der Gradientenrichtung oder der Probe 1-dimensionale Projektionsprofile registriert und die einzelnen Projektionsprofile durch mathematische Rekonstruktion zu einem 2~dimensionalen Bild zusammengestellt werden*

   10« Verfahren nach Anspruch 8 und 9 gekennzeichnet dadurch, daß bei Verwendung von SPR-Hohlraumresonatoren eine Drehung der Probe im Resonator vorgenommen wird, wobei die erzeugten Projektionsprofile mit der B^- und E_-Feldverteilung im Resonator korreliert sind«

   11· Verfahren nach Anspruch 10 gekennzeichnet dadurch, daß bei stark dämpfenden Proben scheibenförmige Proben benutzt werden und die Probe im minimalen Ξγ-Peld

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   des Resonators, ζ·Β· TE.. Q₂-Mo de oder angeordnet werden und die Drehung nur in der Ebene des minimalen E_T-Feldes durchgeführt wird.
3. 12. Verfahren nach Anspruch 1 "bis 11 gekennzeichnet dadurch, daß für eine schnelle Probenabtastung, insbesondere für 2-dimensionale oder 3-diinensionale Darstellungen, die Modulationsfrequenz möglichst groß gewählt wird, da die Bildung des zeitlichen Mittelwertes über einen Zeitraum von i Perioden ²^^ZrZ* ^ ⁼ ^s²,3·»») erfolgt.

   13* Verfahren nach Anspruch 1 bis 12 gekennzeichnet dadurch, daß zur schnellen räumlichen Probenuntersuchung die Probe zuerst mit einem groben Rastermaß abgetastet wird und anschließend ausgewählte Bereiche mit einem Feinrastermaß abgetastet v/erden«

   14· Anordnung zur Darstellung von Spindichteverteilungen in einer paramagnetischen Probe, bei der in einem Mikrowellenblock Mikrowellenenergie in CW-Betrieb erzeugt wird, die in.einem Resonator ein By-FeId der frequenz &- über der Probe erzeugt und bei der Spulen zur Erzeugung eines für die paramagnetische Resonanz notwendigen Gleichmagnetfeldes B angeordnet sind, gekennzeichnet dadurch, daß zur Erzeugung eines homogenen Wechselfeldes B Spulen (6) und ein Modulationsgenerator (5) angeordnet sind, daß zur Erzeugung eines Gradientenfeldes B (z) gleichachsig zu den Spulen (6) zwei Gradientenfeldspulen (8) angebracht sind, daß zur Signalverarbeitung dem Mikrowellenblock (1) in Reihe ein Mikrowellendetektor (9), ein Verstärker (10) und ein phasenempfindlicher Gleichrichter (11) nachgeordnet ist, daß zur

   Regelung der Phaseiibe Ziehungen zwischen dem Modulati ons gene rat or (5) und dem phasenempfindlichen Gleichrichter (11) ein Phasenschieber (12) geschaltet ist, daß zur Bildung des zeitlichen Mittelwertes dem pha— senempfindlichen Gleichrichter (11) ein Siebglied (13) nachgeschaltet ist, daß für 1-dimensionale Darstellungen dem Siebglied (13) ein G-leichspannungsverstär-r· ker (14) nachgeschaltet ist, dem ein Schreib— oder Sichtgerät (15) zugeordnet ist, daß zur 2— und 3—dimen— sionalen Darstellung dem Siebglied (13) ein Analog- Digital-Umwandler (16) zugeordnet ist, dem zur Weiterverarbeitung und Bildrekonstruktion eine Recheneinheit (17) nachgeschaltet ist und zur visuellen Darstellung das Schreib— oder Sichtgerät (15) der Recheneinheit (17) zugeordnet ist, daß zvcr Erzeugung einer Modulationsfrequenz OJ ein Generator (19) angeordnet ist, daß zur Festlegung der Größe des iJagnetfeldgradien ten ein Leistungsverstärker (20) dem Generator (19) nachgeschaltet ist, daß zur ζ -Ebenenverschiebung eine Steuereinheit (21) dem Leistungsverstärker (20) na enge ordnet ist, wobei sowohl der Generator (iS)j der Leistungsverstärker (20) und die Steuereinheit (21) auch der Recheneinheit (17) zugeordnet sind, daß zur Probenabtastung eine Vorrichtung zur Probendrehung (7) dem Resonator (2) zugeordnet ist, und daß zur Einstellung des B -Wertes eine Magnetfeldregelung (18) angeordnet ist, die sowohl den Spulen (4) für das Gleichmagnetfeld als auch der Recheneinheit (17) zugeordnet ist.

   15° Verfahren nach Anspruch 1-7 gekennzeichnet dadurch, daß zur Ermittlung von 3-dimensionalen Bildern zwei modulierte Gradientenfelder z.B. B (z) und B (y) verwendet werden und' eine Probendrehung um die y-Achse vorgenommen wird.

   Hierzu 5 Seiten Zeichnungen