DD200936B1 - Verfahren und anordnung zur darstellung der spindichteverteilung in paramagnetischen proben - Google Patents

Description

Hierzu 5 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

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

— Transportvorgänge und stationäre Verteilungen von paramägnetischen Zentren in Festkörpern, deren räumliche Zuordnung und ihre Diffusion

— Untersuchungen von Stoffwechselvorgängen und pathologischen Veränderungen auf dem Gebiet der Medizin (z. B. freie Radikale im Tumorgewebe) 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 Hochpolymeren (Stabilitäts- 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 NMR daran gearbeitet, diese Methode für die medizinische Ganzkörperuntersuchung nutzbarzu machen. Dabei beschränkt man sich überwiegend auf die Untersuchung der Verteilung der Protonenresonanz des im menschlichen Körper unterschiedlich beweglichen Wassers. Charakteristisch für die NMR sind wesentlich größere T₁- und T₂-Zeiten (10~³s bis einige Sekunden) als in der EPR (1CT⁶S bis 10~¹²s). Während man in der NMR mit Frequenzen im MHz-Gebiet (1,5MHz bis 100MHz) arbeitet, liegen die Frequenzen für die EPR im GHz-Bereich (2GHz bis 35GHz). Diese Unterschiede haben dazu geführt, daß für die Erfassung von Zeug matog ram men unterschiedliche Verfahren entwickelt worden sind, so daß auch die bisher existierenden Verfahren der N MR-Zeugmatografie/1/ nicht oder nur bedingt auf die EPR Übertrag bar sind. Ein Vorteil der EPR gegenüber der NMR ist die um einige Größenordnungen höhere Empfindlichkeit, die es gestattet, die räumliche Verteilung von paramagnetischen Zentren in kleinen Proben (< 1 cm³) sinnvoll zu untersuchen.

Gegenwärtig bekannte Verfahren in der EPR/1/ arbeiten mit einem stationären bzw. gepulsten Feldgradienten. Entsprechend diesem Verfahren wird vom Spektrometer das Faltungsprodukt I (B) zwischen der spektralen Verteilungsfunktion g (B) und der räumlichen Verteilungsfunktion der paramagnetischen Zentren S (B) gemessen:

KB) = JS (B) g (B- B') dB'

Die Bestimmung von S (B) erfolgt durch eine Entfaltungsoperation. Aus S (B) kann die räumliche Verteilungsfunktion ermittelt werden. Diese mathematische Entfaltungsoperation kann besonders bei komplizierten und konzentrationsabhängigen Spektren problematisch werden bzw. nicht gelöst werden. In der NMR wurde von Hinshaw/1/ eine Methode zur direkten Messung der Verteilung des Kernspins mittels eines zeit- und ortsabhängigen Feldgradienten vorgeschlagen.

Das Prinzip dieses Verfahrens beruht auf der Erzeugung einer Vielzahl von Seitenbändern für das Relaxationsverhalten der mit dem Feldgradienten B_m (co_mt, z) modulierten Kernspins, da die Modulationsfrequenz

ü)_m > . Aufgrund der geringen T₂-Zeilen in der EPR ist diese Bedingung und damit das vorliegende Prinzip der Erzeugung von

Seitenbändern und deren Ausfilterung nicht anwendbar

/1/ — P.C.Lauterbur Nature 242,190(1973)

— A.Kumar; D.Welti; R.Ernst J. Magn. Res. 18, 69-83 (1975)

— P. Brunner; R.R.Ernst J. Magn. Res. 33, 83 (1979)

— W. S. Hinshaw Phys. Lett. 48 A, 87 (1974)

— R.Damidian et.al. Naturwissenschaften 65, 250 (1978)

— R.Damidian US Patent3789832

— P. Mansfield DE-OS 2755956

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 3dimensionalen Darstellung der EPR-Zentrenverteilung auch von Mehrlinienspektren und der unterschiedlichen Verteilung unterschiedlicher Zentrentypen ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird das bei einem Verfahren zur Darstellung von Spindichteverteilungen in einer paramagnetischen Probe, bei dem zurErzeugung der Resonanzbedingungen ein hochfrequentes Magnetfeld der Frequenz ωι und der Amplitude B| und ein statisches Magnetfeld B_p an die Probe gelegt werden und in dem weiterhin ein homogenes Wechselfeld der Amplitude B_n und ein zweites Wechself eid mit ortsabhängiger Amplitude in mindestens einer Koordinatenrichtung z. B. B_m (z) längs der z-Achse an die Probe gelegt werden; wobei die Feldlinien von B_p, B_n und B_m in gleicher Richtung z.B. inz-Richtung und B| 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 ω_η und das Gradientenfeld B_m (z) mit einer Frequenz co_m, wobei ü)_m Φ ω_η, moduliert werden, wobei dieses resultierende orts- und zeitabhängige Feld in z-Richtung der mathematischen Beziehung

entspricht, seine Funktion f(a>_mt) einen periodischen Verlauf hat, der ζ. B. einer Sinus-Dreieck-oder Sägezahnkurve entspricht und entsprechend dem Verlauf des Gradientenfeldes B_m (z) auf der z-Achse eine z_o-Ebene existiert, die sogenannte Nullebene, in der Bm (z₀) = 0 und für alle anderen Ebenen z_vB_m (ν Φ z_o) > 0 ist, daß eine Modulation mit zwei Feldern unterschiedlicher Frequenz

u>_m < co_nundü)_n; co_m <e — für die z_v-Ebenen bei phasenempfindlicher Gleichrichtung des Signals mit einer Frequenz ω_ρ=ρ·ω_η

(ρ = 1,2,3...) und eine Bildung des zeitlichen Mittelwertes über i-Perioden

2ni ^A

tr = (i = 1,2,3,4...)durchgeführtwird,waszuro)_mp-ten Ableitung einer mit der Modulationsamplitude B_m verbreiterten

Linie führt, wobei deren Verlauf u. a. dadurch bestimmt isj, daß bei einem Feldwert B_p, der der maximalen Signalamplitude der p-ten Ableitung der nicht mit der Modulationsamplitude B_m verbreiterten Absorptionslinie entspricht, die Signalamplitude mit steigendem B_m-Wert abnimmt, und ab einem bestimmten Verhältnis

^- (ΔΒι/2-Linienbreite) beim Feldwert Bp versohwindet und daß nur der Signalantei! aus der z_o-Ebene registriert wird. Die

^ΔΒ1'² A A

Modulationsamplitude B_n bestimmt die maximale Signafamplitude der p-tisn Ableitung und führt ebenfalls für B_n > ΔΒ,/г zu einer sichtbarer^Modulationsverbreiterung, die entgegen dem Verlauf für B_m bei B_n = 2ДВѵг^иг ρ = 1 ein Sig^nalmaximum besitzt. Die mit B_n > ΔΒι_/2 verbundene Zunahme von ΔΒ_ΡΡ erfordert jedoch größere Modulationsamplituden B_m, wenn die Auflösung nicht verschlechtert werden soll.

Zur Erfassung der Spindichteverteilung einer Probe in z-Richtung wird erfindungsgemäß die z_o-Ebene entlang der z-Achse verschoben.

Die Verschiebung der z_o-Ebene kann dabei erfindungsgemäß durch Variation der das Feld B_m (z) erzeugenden Ströme, durch Verschiebung des Spulenpaares, das das Gradientenfeld erzeugt oder durch Verschiebung der Probe entlang der z-Achse durchgeführt werden.

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

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

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

Für die Darstellung der Verteilung von Zentrentypen unterschiedlicher g-Faktoren in einer Probe wird erfindungsgemäß das B-FeId auf den für jeden Zentrentyp optimalen B_p-Wert gestellt und für diesen die Verteilung des jeweiligen Zentrentyps registriert.

Eine Erhöhung der Empfindlichkeit des Verfahrens bei nur einem modulierten Gradientenfeld wird 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 Idimensionale Projektionsprofile registriert und die einzelnen Projektionsprofile durch mathematische Rekonstruktion zu einem 2dimensionalen BMd zusammengestellt werden. ' Zur Erzeugung 3dimensionaler Bilder werden zwei modulierte Gradientenfelder z. B. B_z (z) und B₂ (γ) verwendet und eine Probendrehung um die y-Achse durchgeführt, um so durch Variation der Gradientenfeldstärke B_z (y) die Dicke der dann anschließend 2dimensional untersuchten Probenquerschnitte entsprechend der in der Probe vorhandenen Zentrenkonzentration zu optimieren um eine 3dimensionale Darstellung zu ermöglichen.

Die Drehung der Probe in einem EPR-Resonator führt zu Projektionsprofilen, die mit der B| und E_rFeldverteilung im Resonator korreliert sind. Für 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 Bi-Feldverteilungen besitzen, so daß z.B. bei der Verwendung eines zylindrischen Resonators mit einer ТЕпц-Mode ringförmige Probenabschnitte gleicher Bi-Feldamplitude 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_rFeldamplitude ausgesetzt sind. Bei der Drehung einer Probe mit hohem dielektrischen Verlustfaktor und nichtrotationssymmetrischen Probenmessungen kommt es bei einer nichtrotationssymmetrischen ErFeldverteilung zu Güteänderungen des Hohlraumresonators. Ebenso führt die Verwendung nichtrotationssymmetrischer Objektträger (Probenaufnehmer) mit ε > ε₀ in einer nichtrotationssymmetrischen E₁-Feldverteilung zu Verschiebungen der Resonanzfrequenz des Resonators und damit zur Verschiebung des Feldwertes B_p. Beides führt zur Abnahme der Signalintensität der Projektionsprofile. Für nichtrotationssymmetrische E_rFeldverteilungen 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 Ει-Feld des Resonators, z. B. TE юг-Mode oder TM₁₁₀-Mode, angeordnet und die Drehung nur in der Ebene des minimalen E_rFeldes durchgeführt, um so 2dimensionale Abbildungen hoher Empfindlichkeit erzeugen zu können. Für eine schnelle Probenabtastung, insbesondere für 2dimensionale oder 3dimensionale Darstellungen, wird die Modulationsfrequenz so groß wie möglich gewählt, da die Bildung des zeitlichen Mittelwertes über einen Zeitraum von i-Perioden *3 fr

ti S (i = 1,2,3..Verfolgt, der damit die Geschwindigkeit des gesamten Abtastprozesses bestimmt.

Zur Durchführung einer schnellen räumlichen Probenuntersuchung wird die Probe zuerst insgesamt mit einem 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 CW-Betrieb erzeugt wird, die in einem Resonator ein B_rFeld der FrequenzШ| 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_n Spulen und ein Modulationsgenerator angeordnet sind, daß zur Erzeugung eines Gradientenfeldes B_m (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 3dimensionalen Darstellung dem Siebglied ein Analog-Digital-Umwandler zugeordnet ist, dem zur Weiterverarbeitung und Biidrekonstruktion eine Recheneinheit nachgeschaltet ist und zur visuellen Darstellung das Schreib- oder Sichtgerät der Recheneinheit zugeordnet ist, daß zur Erzeugung einer Modulationsfrequenz ш_т sin 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 Leistungsverstärker und die Steuereinheit auch der Recheneinheit zugeordnet sind, daß zur Probenabtastung eine Vorrichtung zur Probendrehung dem Resonator zugeordnet ist, und daß zur Einstellung des B_p-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.

Des weiteren 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 Idimensionalen Darstellung der Verteilung S (z) paramagnetischer Zentren parallel zum B-FeId (z-Richtung) erläutert werden. In den dazugehörigen Abbildungen zeigt:

Fig. 1: die I.Ableitung einer Absorptionskurve m it einer Lorentzlinienform Fig. 2: eine schematische Darstellung einerZentrenverteilung von paramagnetischen Zentren S (z) mit einer dazugehörigen Darstellung der Feldverteilung B_m (z₀, z, t.)

Fig. 3 a: eine schematische Darstellung des Prinzips der Modulationsverbreiterung für die 1. Ableitung einer Lorentzlinie Fig. 3 b: eine schematische Darstellung des Prinzips der Modulationsverbreiterung für die 2. Ableitung einer Lorentzlinie Fig. 4 a: eine schematische Darstellung eines Spektrums für den Fall, daß in der z_o-Ebene paramagnetische Zentren mit einem Einebenenspektrum vorhanden sind, gemäß dem in Fig. 2 gewählten Beispiel

Fig. 4 b: eine schematische Darstellung für den Fall, daß in der z_o-Ebene keine para mag netischen Zentren vorhanden sind Fig. 5: schematische Darstellung der Probenrotation in einem TE₀₁₁-Resonator Fig. 6: schematische Darstellung der Drehung einer scheibenförmigen Probein einem TE ₁₀₂-Resonator Fig. 7: schematische Darstellung der Drehung einer scheibenförmigen Probe in einem TM₁₁₀-Resonator Fig. 8: ein Blockschaltbild für eine Anordnung zur Drehführung des Verfahrens zur Bestimmung der Spindichteverteilung.

Wie in Fig. 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 (Οι, einer Amplitude B| und veränderlichem B-FeId wird zuerst das EPR-Spektrum, dessen I.Ableitung durch die Funktion y'(B), wie in Fig. 1 dargestellt, beschrieben wird, für die gesamte Probe registriert.

Dabei wird das B-FeId mit einer Frequenz ω_η und einer Amplitude

B_n = —— sin co_nt moduliert. Der Nachweis des EPR-Signals erfolgt durch phasenempfindliche Gleichrichtung mit ω_π, so daß die

I.Ableitung der Absorptionskurve registriert wird. Der Wert des magnetischen Gleichfeldes wird auf den Wert B₁, der der maximalen Signalamplitude der I.Ableitung entspricht, gestellt, so daß

ΔΒΐ!

B = B₁ = B₀ ± — (B₀ = Resonanzfeldwert)

wobei ΔΒ-π die Wendepunktbreite für die I.Ableitung einer Lorentzlinie ist.

AB₁₁ = —-~- fürLorentzlinienundBn < ΔΒ_1/2 (ΔΒ_1/2 = Halbwertsbreite)

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 zusätzlic ein sinusförmig modulierter Magnetfeldgradient der Frequenz co_m und ortsabhängiger Amplitude B_m (z) in z-Richtung an die Probe gelegt, so daß sich für die orts- und zeitabhängige Feldverteilung über der Probe folgende Beziehung ergibt.

B_z(t,z₀,z_v) = B₁ + —f-sinü)_nt + —^m °' ^v sin(ü_mt

wobei

z_o = Position der Null-Ebene des Gradientenfeldes für die B_m (z₀) = 0

z_v = laufende z-Koordinate für die B_m (z_v) > 0

Für CO_n und ü)_m gilt die Bedingung

ω_η; Щ_л < —— (T₂ = Spin-Spin-Relaxationszeit)

Mitzunehmender Entfernung von der z_o-Ebene wächst entsprechend dem Feldanstieg _д

— des modulierten Gradienten der Feldänderungsbereich B_m d. h., die Modulationsamplitude B_m = —-—— sin(ü_mt für die

außerhalb derzo-Ebene gelegenen Zentren. Für jede Probenebene z_v(v = ±1 ...±p) entsteht entsprechend der Konzentration der paramagnetischen Zentren ein modulationsverbreitertes Spektrum

:V

Г L &*«

sofern die Signalverarbeitung über eine Zeitkonstante

τ > erfolgt.

Damit stellt jeder Punkt dieses Spektrums die zeitlich lineargemittelte Signalamplitude der mit der Frequenz со_т (wobei ü)_m <S ω_η) und der Amplitude B_m abgetasteten ersten Ableitung der Absorptionskurve um den entsprechenden Feldpunkt B dar.

Anhand der in Fig.3a dargestellten Spektren für die einzelnen Ebenen z_v wird das Wesen des Verfahrens deutlich. So führt die Modulation mit einer zweiten Frequenz co_m zu einem Spektrum, dessen Signalwert beim Feldwert B in Abhängigkeit von В_т/ДВі/₂ abnimmt.

Für genügend große B_m verschwindet der Signalwert an dieser Stelle. Auf diese Weise ist es möglich, mit einem entsprechend großen Gradientenfeld alle außerhalb der z_o-Ebene entstehenden Absorptionsspektren derart zu verbreitern, daß sie beim Feldwert B₁ keinen Signalbeitrag mehr geben und somit überwiegend der Signalwert aus der z_o-Ebene registriert werden kann.

Durch Verschiebung der z_o-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 z_o-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 Registrierung der Spektren ist zu beachten, daß die modulationsverbreiterten Anteile der außerhalb von z₀ gelegenen Ebenen mitregistriert werden, deren Amplituden bei ausreichend großem Gradientenfeld genügend klein gehalten werden können. Fig. 4 a zeigt ein Spektrum für den Fall, daß die z_o-Ebene in einer Schicht liegt, wo paramagnetische Zentren vorhanden sind, während Fig.4b ein Spektrum für eine z_o-Ebene zeigt, die in einer Schicht liegt, in der keine paramagnetischen Zentren vorhanden sind (entsprechend dem in Fig. 2 gewählten Beispiel).

Sind in einer Probe paramagnetische Zentren mit einem Mehrlinienspektrum vorhanden, so ist anhand des Verbreiterungsverhaltens des Mehrlinienspektrums, die junge Linie auszuwählen, die am wenigsten von den verbreiterten Anteilen der Nachbarlinien beeinflußt wird und deren Signalamplitude beim Feldwert B_p in Abhängigkeit von der Modulationsamplitude B_m am ehesten auf Null geht. Das Auswahlkriterium richtet sich dabei nach der Größe der Signalamplitude bei B_p, nach der Linienbreite ΔΒ_1/2 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 Linie bei gleichem B_m wesentlich größer ist, als bei der ersten Ableitung, Fig. 3 b. Das magnetische Gleichfeld wird bei der Registrierung der Verteilung der paramagnetischen Zentren mit der 2. Ableitung auf B = B₂ = B₀ 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.

Neben 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 2 D- und 3 D-Darstellungen, die durch Verwendung von zwei bzw. drei orthogonalen modulierten Gradienten B₂ (z); B_z (x); B₂ (y) erzeugt werden, wobei 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 Nullinien bzw. Nullpunktelementen 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 ü)_m < ω_η eingehalten werden. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in einer sofortigen direkten 2 D- bzw. 3 D-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 Probe mit jeweils h-signalgebenden Zentren in x-, y- und z-Richtung, also h³-Signalelementen, ist die Empfindlichkeit (E)

E--V k=1;2;3

h*

к = Anzahl der orthogonalen Gradientenfelder.

Außerdem ist die technische Realisierung von drei orthogonalen Gradientenfeldern mit jeweils

— > 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 Gradienten verlauf im Winkel 0-180° gedreht wird. Technisch einfacher ist die Drehung der Probe. Für jede Winkeleinstellung ergeben sich entsprechende 1 D-Projektionsprofile, die mit Hilfe eines mathematischen Rekonstruktionsprogramms zu einem 2D-BiId zusammengestellt werden können.

DamaninderEPRim allgemeinen mit Höh I raum resonatoren definierte E_r und B_rFeldverteilung zum Zwecke der Steigerung der Mikrowellenleistung am Probenort arbeitet, muß bei der Darstellung der Verteilung von paramagnetischen Zentren die Verteilung des E_r und B_rFeldes 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 B_r und E_rVerteilung korreliert sind. Für 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 B_rFeldverteiluhgen besitzen, so daß z.B. bei der Verwendung eines zylindrischen Resonators mitTEon-Mode, Fig. 5, ringförmige Probenabschnitte gleicher B_rFeldamplitude existieren und daß während der Drehung der Probe um die Zylinderachse (y-Achse) die EPR-Zentren mit gleichem Abstand von der Drehachse der gleichen BrFeldamplitude ausgesetzt sind. Die Drehung einer Probe mit hohem dielektrischen Verlustfaktor und nichtrotationssymmetrischen Probenabmessungen führt bei einer nichtrotationssymmetrischen E_rFeldverteilung zu Güteänderungen des Resonators. Ebenso führt die Verwendung von nichtrotationssymmetrischen Objektträgern (Probenaufnehmer) mit ε > ε₀ bei einer nichtrotationssymmetrischen E_r Feldverteilung zur Verschiebung der Resonanzfrequenz GJ| des Resonators und damit zur Verschiebung des Feldwertes B_p. Beides führt zur Abnahme der Signalintensität und zu Verfälschungen des Projektionsprofiles. Bei der Drehung der Probe um eine Achse mit einer nichtrotationssymmetrischen E_rFeldverteiiung sind deshalb rotationssymmetrische Probenabmessungen ги verwenden.

Bei der Untersuchung von stark dämpfenden (wäßrigen) Proben ist es angebracht, diese nur in Bereichen mit geringer Ei-Feldstärke anzuordnen, um einen zu starken Abfall der Resonanzgüte des Resonators zu vermeiden. Die Verwendung von Resonatoren mit einem TE₁₀₂- oderTM₁₁₀-Mode bietet sich für derartige Proben an, da sie eine Ebene mit einer minimalen EpFeldstärke besitzen, Fig. 6 und Fig.7, die eine empfindliche Messung von dünnen, scheibenförmigen Proben gestattet. Um Güte-und Frequenzänderungen zu vermeiden, ist es sinn voll, die Proben nur in der Ebene des minimalen E_rFeldes zu drehen. Auf diese Weise ist es möglich, mit einer hohen Meßempfindlichkeit zu arbeiten und den rechentechnischen Aufwand für die Bi Id rekonstruktion in Grenzen zu halten. Ähnlich kann bei der Ermittlung von 3 D-Bildern verfahren werden. So können z.B. unter Verwendung von 2 modulierten orthogonalen Gradientenfeldern B₂ (z) und B₂ (y) und Drehung der Probe um die y-Achse 2 D-Bilder für jede y_o-Ebene aufgezeichnet werden. Entsprechend der Konzentration der paramagnetischen Zentren in der Probe wird die Breite der y_o-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 wi?d hauptsächlich bestimmt durch die Erzeugung und Beherrschung von modulierten Magnetfeldern mit hoher Feldstärkeänderung über der Probe. Im Gegensatz zum Verfahren mit statischen Gradienten, wo es darauf ankommt, daß der Gradientenanstieg linear und homogen über das gesamte Probenvolumen ist, kommt es beim Verfahren mit modulierten Gradienten darauf an, daß in unmittelbarer Nähe der Nullebene die Feldänderung sehr groß ist, um dort eine große Linien verbreiterung 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 Nähe der Nullebene, bei deren Verschiebung entlang der Gradientenachse, erhalten bleibt. Der Wert der Gradientenfeldstärke um z_o ist abhängig von der geforderten Auflösung

Da in der EPR allgemein ΔΒ1/2 > 0,01 mT ist, ergeben sich bei einer Auflösung von Δζ ~ ΙΟμιτι Gradientenfeldstärken von

> 0,1 T/cm.

Die Erzeugung derartiger Gradientenfelder ist z.Z. technisch nur für NF-Frequenzen im Bereich von 10Hz bis 5000Hz bedingt möglich. Da die Frequenzen für ein optimales Signal-Rausch verhältnis allgemein für die I.Ableitung ω_η1 = 2 π -10OkHz bzw. für die 2. Ableitung ω_η2 = π 5OkHz betragen, gilt die Bedingung

1 I2

Für eine schnelle daten mäßige Erfassung ist es notwendig, ш_т 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, dessen Zeitkonstante

τ > die zeitliche Erfassung bestimmt. Ebenso ist es verfahrensmäßig möglich, ш_т > ω_η zu wählen.

Die Zeitkonstante des Siebgliedes wird dann durch η bestimmt

—>τ > . Da jedoch die Erzeugung von Feldgradienten 0,1 T/cm für Frequenzen überi kHz technisch ebenfalls sehr schwierig

ist und das Signal-Rauschverhalten ίϋτω_η > 2π 1 kHz günstiger wird, wählt man besser ω^, <S ω_η.

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 Fig.8. Dabei handelt es sich um die Aufnahme von jeweils 1 D-Projektionen. Durch Drehung der Probe 3 und eine anschließend durchgeführte Bildrekonstruktion mit Hilfe eines Rechners 17 können 2D- und 3D-Darstellungen registriert werden.

In einem Mikrowellenblock 1 wird die Mikrowellenenergie erzeugt (CW-Betrieb), die in einem Resonator 2 ein B_rFeld der Frequenz I über der Probe 3 aufbaut. Spulen 4 erzeugen das für die paramagnetische Resonanz notwendige Gleichmagnetfeld 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 Nachweisfrequenz ω_η und dem PED 11. Die Bildung des zeitlichen Mittelwertes erfolgt in einem Siebglied 13 — im einfachsten Fall ein RC-Glied.

Eindimensionale Darstellungen können sofort über einen Gleichspannungsverstärker 14 einem Schreiber oder Sichtgerät 15 zugeführt und abgebildet werden. Für die Bildung von 2D- und 3 D-Darstellungen ist es notwendig, die erhaltenen Daten der einzelnen Projektionen über einen Analog-Digital-Umwandler 16 in einen Rechner einzugeben und dort die Weiterverarbeitung 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.h. die Steuerung der dafür zuständigen Einheiten. Ein Generator 19 erzeugt die Modulationsfrequenz (o_m 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 Zp-Ebenenverschiebung und der Vorrichtung für die Probendrehung 7.

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

Claims (8)

1. -1-Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur Darstellung von Spindichteverteilungen in einer paramagnetischen Probe, bei dem zur Erzeugung der Resonanzbedingung ein hochfrequentes Magnetfeld der Frequenz ü>i und der Amplitude B_t dessen Feldvektor z. B. in y-Richtung verläuft und ein polarisierendes stationäres homogenes Magnetfeld B dessen Feldvektor senkrecht dazu z. B. in z-Richtung verläuft, an die Probe gelegt werden und bei dem weiterhin mindestens ein zeitabhängiges inhomogenes Magnetfeld B_m (z, o)_mt) angelegt wird dessen Feldgradient und damit dessen Ortsauflösung z.B. in z-Richtung verlaufen können, wobei der Feldvektor dieses inhomogenen Zusatzfeldes in z-Richtung verlaufen muß und die Zeitabhängigkeit f (to_mt) einen periodischen Verlauf .mit der Kreisfrequenz a>_m hat, so daß entsprechend dem Verlauf des Feldes B_m (z) auf der z-Achse eine z_o-Ebene existiert für die B_m (z_o) = 0 und für alle anderen z_v-Ebenen B₁₇₁ (z„ Φ z_o) >0 ist, gekennzeichnet dadurch, daß ein weiteres zeitabhängiges homogenes Magnetfeld mit periodischem Verlauf B_n (ω_η,) gleicher Feldrichtung angelegt wird, dessen Kreisfrequenz ω_η > co_m sein muß und dessen Amplitude B_n <S B_m (z_G) ist, wobei die Ebene z_G die Grenze des Abtastbereiches in z-Richtung darstellt, daß die Kreisfrequenzen beider Magnetfelder viel kleiner als der Reziprokwert der Relaxationszeit T₂* des betrachteten paramagnetischen Spinsystems

   ш_т;ш_п < ist, daß der Feldwert des polarisierenden stationären homogenen Magnetfeldes B auf einen Feldwert B_p

   gestellt wird, der für B_m (z) = 0 der maximalen Signalamplitude derjenigen Ableitung der Absorptionslinie des Spinsystems entspricht, die durch phasenempfindliche Gleichrichtung des Signals mit der Referenzfrequenz ω_ρ = P · ü)_nmit(p = 1,2,3...) erhalten wird, daß durch das Zusammenwirken der beiden zeitabhängigen Felder B_m (z, ш_т,) und B_n (ω_η,) und den phasenempfindlichen Nachweis mit ω_ρ = P · ω_η die p-te Ableitung der Absorptionslinie in der jeweiligen z-Ebene zeitlich abgetastet wird, und daß die Signalintegration über eine Modulationsperiode

   t_m = zur Signalabnahme und ab einem bestimmten Verhältnis B_n, (Δζ)/ΔΒ_ΡΡ (AB_PP-Linienbreite des Spinsystems) zur

   Signalausmittlung führt, und nur der Signalanteil aus der z_o-Ebene registriert wird deren räumliche Ausdehnung durch die Auflösungsbreite Δζ gegeben ist.
2. 2. Verfahren nach Pkt. 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur gezielten spektroskopischen Untersuchung eines ausgewählten Volumenbereiches der Probe z. B. eine z-Ebene das inhomogene Feld B_n, (z) so verändert wird, daß der Bereich für B_m (z) = 0 über der zu untersuchenden z-Ebene liegt, und daß durch Variation des stationären homogenen Magnetfeldes B das EPR-Spektrum des Spinsystems in dieser Ebene gemessen wird, wobei die modulationsverbreiterten Anteile der Nachbarebenen mit registriert werden und durch Wahl geeigneter Amplituden B_m (z) separiert werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Registrierung der Spindichteverteilung für eine Probe mit einem Mehrlinienspektrum, der Wert des statischen Magnetfeldes B_p auf die Linie gestellt wird, die am wenigstens von den modulationsverbreiterten Anteilen der anderen Linien beeinflußt wird und deren Signalamplitude bei B_p in Abhängigkeit von B_mu · B_n am ehesten auf Null geht.
4. 4. Verfahren nach Anspruch, 1, gekennzeichnet dadurch, daß für die Darstellung der Verteilung von'Zentrentypen unterschiedlicher g-Faktoren in einer Probe, das B-FeId auf den für jeden Zentrentyp optimalen B_p-Wert gestellt wird und die optimale Amplitude B_n gewählt wird und für diesen die Verteilung des jeweiligen Zentrentyps registriert wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch !,gekennzeichnet dadurch, daß zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Verfahrens bei Verwendung nur eines modulierten Gradientenfeldes, dessen Richtung um eine Achse senkrecht zum Gradientenverlauf oder der Probe im WinkelvonO— 180° gedreht, für jede Winkelstellung der Gradienten richtung oder der Probe 1-dimensiona Ie Projektionsprofile registriert und die einzelnen Projektionsprofile durch mathematische Rekonstruktion zu einem 2-dimensionalen Bild zusammengestellt werden.
6. 6. Anordnung zur Darstellung von Spindichteverteilungen in einer paramagnetischen Probe, bei der in einem Mikrowellenbild (1) Mikrowellenenergie im CW-Betrieb erzeugt wird, die in einem Resonator (2) ein BpFeId der Frequenz α>ι über der Probe erzeugt und bei der Spulen (4) zur Erzeugung eines für die paramagnetische Resonanz notwendigen stationären Magnetfeldes B und eine Spulenanordnung frei die Erzeugung mindestens eines Feldgradienten angeordnet sind und dem weiterhin Einrichtungen zur Signalverarbeitung zugeordnet sind, gekennzeichnet dadurch, daß koaxial zu den Spulen (4) ein Spulenpaar (6) angebracht ist, dem ein Generator (5) und ein Phasenschieber (12) zugeordnet ist, der einem phasenempfindlichen Gleichrichter (11) zur Signalverarbeitung zugeordnet ist, dem ein Siebglied (13) nachgeschaltet ist, dem parallel ein Gleichspannungsverstärker (14) und ein Analog-Digital-Wandler (16) nachgeordnet ist.
7. 7. Anordnung nach Pkt. 6 zur spektroskopischen Untersuchung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung (18) zur B-Feldvariation den Spulen (4) zugeordnet isjt die von einem Rechner (17) gesteuert wird.
8. 8. Anordnung nach Pkt. 6 zur 2-dimensionalen räumlichen Untersuchung, dadurch gekennzeichnet, daß dem Resonator (2) eine Vorrichtung (7) zur Probendrehung zugeordnet ist, die ebenfalls vom Rechner 17 gesteuert wird.