DE102007044939A1 - Verfahren zur Bestimmung der absoluten Anzahl von Elektronenspins in einer ausgedehnten Probe - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung der absoluten Anzahl von Elektronenspins in einer ausgedehnten Probe Download PDF

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Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der absoluten Anzahl von Elektronenspins in einer ausgedehnten Probe (3) mit Hilfe einer Apparatur zur Messung der magnetischen Resonanz, wobei die ausgedehnte Probe (3) während einer Elektronenspin-Resonanz(= ESR)-Messung innerhalb eines Messvolumens (2) eines Hochfrequenz(= HF)-Resonators (1) der Apparatur angeordnet ist, mit folgenden Schritten: a) Bestimmung eines räumlichen Empfindlichkeitsprofils f des HF-Resonators (1) über das Messvolumen (2); b) Bestimmung einer Resonator-Empfindlichkeitskonstante c mittels einer im Vergleich zum Messvolumen (2) kleinen Eichprobe mit einer bekannten Anzahl von Elektronenspins an einem definierten Ort im Messvolumen (2); c) Messung des magnetischen Resonanzsignals RS der ausgedehnten Probe (3) in der Apparatur bei bekannter räumlicher Verteilung der ausgedehnten Probe (3) im Messvolumen (2); d) Gewichtung des magnetischen Resonanzsignals RS mit dem Integral des räumlichen Empfindlichkeitsprofils f des HF-Resonators über das von der ausgedehnten Probe (3) eingenommene Teilvolumen des Messvolumens (2); e) Bestimmung der Anzahl der Elektronenspins NS in der ausgedehnten Probe (3) als Quotient des gewichteten Resonanzsignals und der Resonator-Empfindlichkeitskonstanten c. Das Verfahren ermöglicht eine einfachere Bestimmung der absoluten Anzahl von Elektronenspins in der Probe.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der absoluten Anzahl von Elektronenseins in einer ausgedehnten Probe mit Hilfe einer Apparatur zur Messung der magnetischen Resonanz, wobei die ausgedehnte Probe während einer Elektronenspin-Resonanz(=ESR)-Messung innerhalb eines Messvolumens eines Hochfrequenz(=HF)-Resonators der Apparatur angeordnet ist.
  • Ein solches Verfahren ist zum Beispiel durch J. A. Weil et al., Electron Paramagnetic Resonance, John Wiley & Sons, New York, 1994, bekannt geworden.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Vermessung von Proben mittels Elektronensein-Resonanz (ESR). Die ESR-Spektroskopie ist ein Verfahren der instrumentellen Analytik zur Untersuchung einer Probe; die Probe muss dabei ungepaarte Elektronen aufweisen. Mikrowellen werden (in der Regel mit konstanter Frequenz) auf die Probe eingestrahlt, die sich in einem starken Magnetfeld B0 befindet (das Magnetfeld B0 wird in der Regel moduliert).
  • Aus dem Absorptionseigenschaften der Probe kann auf deren chemische Zusammensetzung geschlossen werden. Dabei kann aus der Lage von Absorptionslinien zuverlässig auf vorhandene chemische Bindungen bzw. zugehörige Substanzen geschlossen werden. Oftmals ist es jedoch auch erwünscht, den Anteil bestimmter Substanzen in einer Probe quantitativ zu bestimmen. In der ESR-Spektroskopie ist es dazu notwendig, die Anzahl von Elektronenseins in einer Probe zu vermessen.
  • Gemäß J. A. Weil, aaO, kann für eine absolute Quantifizierung wie folgt vorgegangen werden: Zusätzlich zur zu vermessenden (unbekannten) Probe wird eine Referenzprobe präpariert, die eine bekannte absolute Anzahl von Elektronenseins enthält (beispielsweise eine bestimmte Einwaage eines paramagnetischen Salzes) und im übrigen der unbekannten Probe gleicht, insbesondere bezüglich der Art und des Probenbehälters und des Füllstands im Probenbehälter. Die geforderte Gleichheit der Proben bezieht sich auch auf ESR-spezifische Eigenschaften wie z. B. das sogenannte Sättigungsverhalten und den spektralen Bereich, in dem ESR-Linien auftreten. Die unbekannte Probe und die Referenzprobe werden sodann unter gleichen Bedingungen mittels ESR vermessen. Zur Herstellung von gleichen ESR-Messbedingungen wird ein so genannter Doppelresonator eingesetzt, der zwei separat vermessbare Probenkammern aufweist, in die die beiden Proben eingesetzt werden. Die Vermessung der beiden Proben erfolgt dann ohne Probenwechsel unmittelbar hintereinander. Dadurch kann sichergestellt werden, dass beide Proben mit identischem Q-Faktor vermessen werden. Ein solcher Doppelresonator ist beispielsweise durch die Bruker BioSpin GmbH, Rheinstetten, DE, unter der Bezeichnung „ER4105DR EPR-Resonator" bekannt geworden. Durch Relation der jeweils erhaltenen ESR-Signalamplituden kann dann auf die absolute Anzahl der Spins in der unbekannten Probe geschlossen werden.
  • Nachteilig an diesem Verfahren ist die Notwendigkeit, für jede unbekannte Probe eine gleichartige Referenzprobe zu präparieren und ebenfalls zu vermessen. Der Doppelresonator ist darüber hinaus konstruktiv aufwändig. Weiterhin können gleichartige Referenzproben nur für flüssige Proben präpariert werden, wohingegen ESR-Proben sowohl in allen Aggregatszuständen als auch in Pulverform und als Einkristall vorliegen können.
  • Aus J. A. Weil ist auch noch ein Verfahren für eine relative Quantifizierung von Elektronenseins bekannt geworden, mit dem sich eine Relation zwischen der Anzahl von Elektronenseins verschiedener Proben einer Serie ähnlicher Proben erstellen lässt. Dabei wird simultan mit einer jeden Probe der Serie auch eine immer gleiche Marker-Probe vermessen (d. h. die Probe aus der Serie und die Marker-Probe sind gleichzeitig im selben Resonator angeordnet und werden gleichzeitig und gemeinsam vermessen). Die Marker-Probe erzeugt im Absorptionsspektrum ein eigenes Signal (den „Marker"), welches gut vom eigentlichen Signal der Probe der Serie („Probensignal") zu unterscheiden sein muss. Das Finden eines geeigneten Markers ist eine der grundlegenden Schwierigkeiten dieses Verfahrens. Durch Bestimmung der integralen Intensität des Markers können die Absoprtionsspektren der Proben der Serie normiert werden, und verschiedene Probensignale werden quantitativ vergleichbar. Bei diesem Verfahren wird allerdings die Anzahl der Elektronenseins einer Probe der Serie nicht absolut bestimmt.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfacheres Verfahren zur absoluten Bestimmung der Anzahl der Elektronenseins einer Probe zur Verfügung zu stellen, insbesondere wobei es nicht notwenig ist, für jede zu vermessende Probe auch eine gleichartige Referenzprobe zu vermessen.
  • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, mit folgenden Schritten:
    • a) Bestimmung eines räumlichen Empfindlichkeitsprofils f des HF-Resonators über das Messvolumen;
    • b) Bestimmung einer Resonator-Empfindlichkeitskonstante c mittels einer im Vergleich zum Messvolumen kleinen Eichprobe mit einer bekannten Anzahl von Elektronenseins an einem definierten Ort im Messvolumen;
    • c) Messung des magnetischen Resonanzsignals RS der ausgedehnten Probe in der Apparatur bei bekannter räumlicher Verteilung der ausgedehnten Probe im Messvolumen;
    • d) Gewichtung des magnetischen Resonanzsignals RS mit dem Integral des räumlichen Empfindlichkeitsprofils f des HF-Resonators über das von der ausgedehnten Probe eingenommene Teilvolumen des Messvolumens;
    • e) Bestimmung der Anzahl der Elektronenseins NS in der ausgedehnten Probe als Quotient des gewichteten Resonanzsignals und der Resonator-Empfindlichkeitskonstanten c.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird die Kenntnis über die messtechnischen Eigenschaften des HF-Resonators, nämlich des Empfindlichkeitsprofils f und der Empfindlichkeitskonstanten c, zusammen mit der Kenntnis über die räumliche Verteilung der unbekannten Probe ausgewertet, um die absolute Anzahl der Elektronenseins in der unbekannten Probe zu ermitteln.
  • Die (im Wesentlichen unveränderlichen) Eigenschaften des HF-Resonators können dabei vorab bestimmt werden, und dann zukünftig für alle Arten von zu vermessenden Proben verwendet werden. Nur für die Messung der Empfindlichkeitskonstanten c wird einmalig eine Eichprobe mit bekannter Anzahl von Elektronenseins benötigt. Die räumliche Verteilung einer zu vermessenden Probe im Messvolumen des HF-Resonators ist (bei bekannter Messposition des Probengefäßes im Messvolumen) leicht aus der Geometrie des verwendeten Probengefäßes und der Befüllung des Probengefäßes ermittelbar. Zur Vereinfachung können dazu vorab einige wenige Typen von Probengefäßen mit einem bestimmten, immer gleichen Befüllungsgrad ausgewählt werden, und die zugehörigen Probenverteilungen werden gespeichert.
  • Im einfachsten Fall wird innerhalb eines Probengefäßes eine gleichmäßige Verteilung der zu vermessenden Substanz angenommen (homogene Probe). Über das räumliche (3-dimensionale) Empfindlichkeitsprofil des HF-Resonators ist für jeden Ort in der Probe bekannt, wie stark die dortige Substanz zum ESR-Absorptionsspektrum beiträgt. In der Regel ist im zentrumsnahen Bereich des HF-Resonators dessen Empfindlichkeit höher als im Randbereich, so dass zentral im HF-Resonator angeordnete Substanz einen stärkeren Beitrag zum Absorptionsspektrum hat als randnah angeordnete Substanz. Aus der Aufsummierung (bzw. Integration) der gemäß dem Empfindlichkeitsprofil gewichteten Beiträge aller Orte in der Probe ergibt sich insgesamt das gemessene Absorptionsspektrum. Mit der Empfindlichkeitskonstanten kann dann aus der integralen Amplitude der Absorptionslinien im Absorptionsspektrum die absolute Spinzahl errechnet werden.
  • Es versteht sich, dass die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte, insbesondere die Speicherung von Daten und die Durchführung von Berechnungen, etwa in den Verfahrensschritten d) und e), computergestützt ablaufen können. Man beachte, dass die erfindungsgemäßen Schritte a), b) und c) in beliebiger Reihenfolge stattfinden können, jedoch in der Regel die Schritte a) und b) vorab (und nur einmalig) vor Schritt c) erfolgen.
  • Um auf die erfindungsgemäße Weise die absolute Spinzahl in einer Probe zu ermitteln, ist es insbesondere nicht erforderlich, eine gleichartige Probe (mit gleichem Probengefäß, gleichem Befüllungsgrad des Probengefäßes, gleichen ESR-Eigenschaften, etc.) zu vermessen. Dies vereinfacht und beschleunigt die absolute Elektronensein-Bestimmung ganz erheblich.
  • Bevorzugte Verfahrensvarianten
  • Bei einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die ESR-Messung als cw-ESR-Messung. CW(=continuous wave)-ESR-Messungen sind für das erfindungsgemäße Verfahren gut geeignet, da das Absorptionsspektrum bzw. dessen Ableitung unmittelbar als Messergebnis erhalten wird. Das Integral über eine Absorptionslinie (oder das Doppelintegral über die differentiell aufgenommene Absorptionslinie) ist zur Anzahl der Elektronenseins (bzw. bei homogenen Proben zur Konzentration der ESR-aktiven Substanz in der Probe) direkt proportional.
  • Besonders bevorzugt ist eine Weiterentwicklung dieser Variante, bei der die Gewichtung in Schritt d) gemäß folgender Formel erfolgt: DI = c·√P·Bm·Q·V·C·S(S + 1)·nB·f(B1, Bm)mit
  • c
    = Resonator-Empfindlichkeitskonstante
    P
    = Mikrowellenleistung/mW
    Bm
    = Modulationsamplitude/G
    Q
    = Gütefaktor des Resonators
    V
    = Probenvolumen/L
    C
    = Probenkonzentration/M
    S
    = Elektronspin
    nB
    = Boltzmann-Faktor für Temperaturabhängigkeit
    f(B1, Bm)
    = räumliche Empfindlichkeitsverteilung des HF-Resonators
    B1
    = HF-Feldamplitude
    DI
    = Doppelintegral der differenziell aufgenommenen ESR-Absorptionslinie (DI entspricht RS).
  • Anhand dieser Formel lässt sich die bei homogenen Proben die Gewichtung gemäß der Erfindung vornehmen.
  • Bevorzugt ist auch eine Verfahrensvariante, bei der Schritt a) über bildgebende ESR erfolgt. Damit lässt sich das Resonator-Empfindlichkeitsprofil f leicht bestimmen. Die bildgebende ESR-Messung erfolgt am einfachsten mit einer über das gesamte Messvolumen homogenen Probe.
  • Vorteilhaft ist auch eine Verfahrensvariante, bei der in Schritt b) der definierte Ort im Messvolumen im Bereich der höchsten Empfindlichkeit des HF-Resonators gewählt ist. Dadurch kann ein besonders gutes Signal-zu-Rauschverhältnis erreicht werden; die Bestimmung der Empfindlichkeitskonstanten ist dann besonders genau. In der Regel liegt ein Bereich höchster Empfindlichkeit im Zentrum des HF-Resonators, daher wird der definierte Ort erfindungsgemäß bevorzugt auch im Zentrum des HF-Resonators gewählt. Man beachte, dass die Größe der Eichprobe und die Lage des definierten Orts so gewählt sein sollten, dass über das Volumen der Eichprobe am definierten Ort keine merkliche Änderung des Empfindlichkeitsprofils auftritt.
  • Besonders bevorzugt ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Empfindlichkeitsprofil f des HF-Resonators in zwei Raumrichtungen als konstant genähert wird, und in einer dritten Raumrichtung die längste Erstreckung der ausgedehnten Probe im Messvolumen liegt, wobei die drei Raumrichtungen untereinander orthogonal sind. Durch diese Variante können die Verfahrensschritte a) und d) erheblich vereinfacht und damit beschleunigt werden. Wenn die Erstreckung der Probe (bzw. des Teilvolumens) in der ersten und zweiten Raumrichtung klein ist gegenüber der Erstreckung des Messvolumens, und das Teilvolumen im Zentrum des Resonators angeordnet ist, liefert die obige Näherung in der Regel recht genaue Ergebnisse. Für diese Variante besonders geeignet sind Proben in Röhrchen.
  • In einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass das Teilvolumen zylinderförmig ist, und dass die Zylinderachse des Teilvolumens in der dritten Raumrichtung liegt. Innerhalb eines solchermaßen ausgerichteten, zylindersymmetrischen Teilvolumens liefert die obige Näherung sehr genaue Ergebnisse.
  • Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Probe in einem Röhrchen angeordnet ist, und dass die räumliche Verteilung der ausgedehnten Messprobe bestimmt wird über die Füllhöhe im Röhrchen und die Position des Röhrchens, insbesondere eines unteren Röhrchenendes, im Messvolumen. Probenröhrchen haben sich als Probengefäße für die ESR bewährt. Die Füllhöhe des Röhrchens ist leicht bestimmbar, insbesondere optisch und nötigenfalls mit bloßem Auge und einer Skala oder einem Eichstrich. Die Position des Röhrchens im Messvolumen kann in der Regel gar nicht oder nur in der dritten Raumrichtung verändert werden (zur Anpassung an eine bestimmte Röhrchenlänge), wobei am einfachsten die untere Auflage des Röhrchens justiert wird. Die Position der Auflage (und damit des Röhrchens) kann ebenfalls mit einfachen Mitteln, etwa über eine Laser-Entfernungsmessung oder auch eine Skala an einer Einstellschraube, ermittelt werden.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
  • Zeichnung und detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
  • 1a1c Empfindlichkeitsprofile eines Zylinderresonators für die ESR, zur Verwendung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 2 einen schematischen Querschnitt durch einen ESR-Resonator für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die Erfindung beschreibt eine neue Methode zur absoluten Quantifizierung von Elektronenseins in Proben mittels ESR. Das Verfahren ist besonders dazu geeignet, viele verschiedenartige Proben (insbesondere in verschiedenen Probengefäßen) zu vermessen, ohne dass für jede Probenart eine eigene Referenzmessung nötig wäre.
  • Im Folgenden werden beispielhaft die erfindungsgemäßen Einzelschritte für die Bestimmung der absoluten Anzahl von Elektronenseins einer paramagnetischen Probe beschrieben. Die Probenvermessung erfolgt dabei in einer ESR-Apparatur mit einem HF-Resonator.
  • 1. Vermessung der Eichprobe zur Bestimmung der Empfindlichkeitskonstanten c
  • Mittels einer Punktprobe mit bekannter Anzahl Spins wird der Resonatorkalibrierungsfaktor (c) an einem Punkt im Resonator bestimmt. Praktischer Weise wird die Punktprobe im Zentrum des Resonators angeordnet, wo dieser die höchste Empfindlichkeit aufweist. Die räumliche Ausdehnung der Punktprobe muss sehr viel kleiner sein als das empfindliche Volumen (Messvolumen) des Resonators. Bei dieser Messung werden alle Instrumentenparameter, die in die Signalamplitude eingehen, registriert (P, Q, Bm, # Spins, Temperatur, siehe Gleichung-1 zum EPR-Signal): DI = c·√P·Bm·Q·V·C·S(S + 1)·nB·f(B1, Bm) (Gleichung-1)
  • c
    = Kalibrierungsfaktor
    P
    = Mikrowellenleistung/mW
    Bm
    = Modulationsamplitude/G
    Q
    = Gütefaktor des Resonators
    V
    = Probenvolumen/L
    C
    = Probenkonzentration/M
    S
    = Elektronspin
    nB
    = Boltzmann-Faktor für Temperaturabhängigkeit
    f(B1, Bm)
    = räumliche Empfindlichkeitsverteilung des Resonators,
    mit dem Zusammenhang von Boltzmannfaktor und Probentemperatur (Gleichung 4)
    Figure 00100001
    ν
    = Mikrowellenfrequenz/Hz
    T
    = Probentemperatur/K
  • Als Ergebnis dieser Messung wird das Doppelintegral (DI) der differentiell aufgenommenen Absorptionslinie, welches proportional zu der Anzahl Spins ist, notiert (Gleichung-1). Der Kalibrierungsfaktor (c) kann nun berechnet werden (Gleichung-2 zur Bestimmung von c mittels Eichprobe):
    Figure 00100002
    Figure 00110001
  • NS
    = Anzahl Spins im Resonator bei der Kalibrierung
  • Es bleibt anzumerken, dass an die Eichprobe keine besonderen Anforderungen gestellt werden, außer dass sie mit genügender Genauigkeit bezüglich der Anzahl Spins hergestellt werden kann.
  • 2. unbekannte Punktproben
  • Die Anzahl Spins einer beliebigen anderen Punktprobe (am gleichen Ort) könnte nun über deren Doppelintegral berechnet werden (Gleichung-5). Für eine Punktprobe gilt f(B1, Bm) = 1.
    Figure 00110002
  • NS
    = Anzahl Spins
  • In der Regel ist jedoch eine unbekannte Probe ausgedehnt, so dass die Resonatoreigenschaften mitberücksichtigt werden müssen.
  • 3. Empfindlichkeitsprofil f des Resonators
  • Auf Grund der elektromagnetischen Eigenschaften eines Resonators ist die Empfindlichkeit ortsabhängig, beschrieben durch die Funktion f(x), mit x: (im allgemeinen vektorielle) Ortsvariable. Bei bekannter Ortsabhängigkeit kann diese wiederum als Korrektur für das Doppelintegral berücksichtigt werden.
  • 4. Ermittlung des Empfindlichkeitsprofils f
  • Die Ortsabhängigkeit der Resonator-Empfindlichkeit wird mittels eines ESR-Imaging Experiments vermessen. Hierzu wird die Signalamplitude einer homogenen Probe (Lösung) mit dem maximal möglichen Volumen (das ist eine Resonatoreigenschaft, im X-Band sind Probenröhrchen mit bis zu 10 mm Durchmesser möglich) räumlich vermessen.
  • Aus diesen Daten wird die Korrekturfunktion f(B1, Bm) ermittelt (die elektromagnetischen Größen B1 und Bm sind für die Ortsabhängigkeit verantwortlich), vgl. Gleichung-3 zur Definition von f(B1, Bm):
    Figure 00120001
  • a
    = Anfang der Probenposition
    b
    = Ende der Probenposition
    F(x)
    = Rechteckfunktion des Resonatorprofils (Idealfall)
    f(x)
    = Gemessenes Resonatorprofil
  • Anmerkung: f(x) wird beispielsweise über einen Polynomfit 10-ter Ordnung aus dem gemessenen Profil gewonnen.
  • Die 1a bis 1c zeigen beispielhaft gemessene Profile der Empfindlichkeit eines ESR-Resonators (Zylinderresonator vom Typ Bruker ER 4122SHQE) in drei orthogonalen Raumrichtungen Y (1a), Z (1b) und X (1c). Es ist jeweils nach rechts die Ortskoordinate der Raumrichtung in mm und nach oben das ESR-Signal der homogenen Imaging-Probe aufgetragen. Die Y-Achse entspricht der Achse eines anzuordnenden Probenröhrchens. Man beachte, dass typische Probenröhrchen einen Innendruchmesser ≤ 4 mm aufweisen.
  • Die Wahl der Imaging-Probe unterliegt keinen Beschränkungen, außer dass sie homogen ist und für das Imaging Experiment geeignet ist (das erfordert eine genügend schmale Linie im Vergleich zu der verfügbaren Gradientenstärke).
  • 5. Anzahl der Spins in einer ausgedehnten unbekannten Probe
  • Die Anzahl Spins einer unbekannten Probe, die sich innerhalb des in 4. vermessenen Volumens befindet, kann nun mit Gleichung-5 bestimmt werden.
    Figure 00130001
  • NS
    = Anzahl Spins
  • Die Instrumentparameter, P, Bmod, Q und T werden routinemäßig bei jeder Messung registriert. Die räumliche Ausdehnung der unbekannten Probe wird benutzt, um die Korrekturfunktion f(B1, Bm) zu bestimmen.
  • 6. Unterschiedliche Probentypen
  • Eine Referenzprobe ist bei allen folgenden Messungen und unterschiedlichen Probentypen nicht mehr notwendig. Die Resonatoreigenschaften (c und f(x)) können einmal für jeden Resonatortyp (z. B. Rechteckresonator, Zylinderresonator) über das ESR Imaging Experiment bestimmt werden. Jeder Resonator ist somit für diese Methode der Quantifizierung geeignet.
  • 7. Näherung bei dünnen Proben
  • Bei manchen Resonatortypen ist die Empfindlichkeit in der Z-X-Ebene hinreichend konstant, so dass die Korrektur über das Empfindlichkeitsprofil in erster Annäherung nur in Y-Richtung (Probenachse) vorgenommen werden muss.
  • Für die in 1b und 1c gezeigten Profile kann beispielsweise bei Verwendung eines Probenröhrchen mit Innendurchmesser 1 mm (was der Ausdehnung in Z- und X-Richtung entspricht) und Platzierung des Probenröhrchens im Empfindlichkeitsmaximum ohne merklichen Genauigkeitsverlust das Empfindlichkeitsprofil in X- und Z-Richtung als konstant (nämlich maximal entsprechend dem gemessenen Profilen) angesetzt werden.
  • 2 zeigt schematisch einen ESR-Resonator 1, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden kann. Der Resonator 1 bildet ein Messvolumen (Resonatorvolumen) 2 aus, in dem eine Probe 3 angeordnet ist. Die Probe 3 ist dreidimensional ausgedehnt und nimmt einen Teil des Messvolumens 2 ein; der von der Probe 3 eingenommene Teil des Messvolumens 2 wird auch als Teilvolumen bezeichnet. Im gezeigten Fall ist die Probe 3 ausgebildet als ein Flüssigkeitspfropfen im Inneren eines Probenröhrchens 4. Das Teilvolumen ist kreiszylinderförmig.
  • Das untere Ende des Probenröhrchens 4 wird in einem zentrierenden Anschlag 5 gehalten. Zusammen mit einer weiteren Zentrierung des Probenröhrchens 4 mit einem oberen Klemmhalter 6 am Resonator 1 kann die Lage der Probe 3 bzw. des Teilvolumens im Resonator 1 aus der Lage des unteren und des oberen Probenmeniskus relativ zum unteren Ende des Probenröhrchens 4 leicht ermittelt werden.
  • Im Rahmen der Erfindung wird das Empfindlichkeitsprofil f des Resonators 1 im Messvolumen 2 ermittelt; dabei genügt es, das Resonatorvolumen soweit zu vermessen, wie es von den größten vorgesehenen Proben eingenommen werden kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - J. A. Weil et al., Electron Paramagnetic Resonance, John Wiley & Sons, New York, 1994 [0002]

Claims (8)

  1. Verfahren zur Bestimmung der absoluten Anzahl von Elektronenseins in einer ausgedehnten Probe (3) mit Hilfe einer Apparatur zur Messung der magnetischen Resonanz, wobei die ausgedehnte Probe (3) während einer Elektronenspin-Resonanz(=ESR)-Messung innerhalb eines Messvolumens (2) eines Hochfrequenz(=HF)-Resonators (1) der Apparatur angeordnet ist, mit folgenden Schritten: a) Bestimmung eines räumlichen Empfindlichkeitsprofils f des HF-Resonators (1) über das Messvolumen (2); b) Bestimmung einer Resonator-Empfindlichkeitskonstante c mittels einer im Vergleich zum Messvolumen (2) kleinen Eichprobe mit einer bekannten Anzahl von Elektronenseins an einem definierten Ort im Messvolumen (2); c) Messung des magnetischen Resonanzsignals RS der ausgedehnten Probe (3) in der Apparatur bei bekannter räumlicher Verteilung der ausgedehnten Probe (3) im Messvolumen (2); d) Gewichtung des magnetischen Resonanzsignals RS mit dem Integral des räumlichen Empfindlichkeitsprofils f des HF-Resonators (1) über das von der ausgedehnten Probe (3) eingenommene Teilvolumen des Messvolumens (2); e) Bestimmung der Anzahl der Elektronenseins NS in der ausgedehnten Probe (3) als Quotient des gewichteten Resonanzsignals und der Resonator-Empfindlichkeitskonstanten c.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ESR-Messung als cw-ESR-Messung erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtung in Schritt d) gemäß folgender Formel erfolgt: DI = c·√P·Bm·Q·V·C·S(S + 1)·nB·f(B1, Bm)mit c = Resonator-Empfindlichkeitskonstante P = Mikrowellenleistung/mW Bm = Modulationsamplitude/G Q = Gütefaktor des Resonators V = Probenvolumen/L C = Probenkonzentration/M S = Elektronspin nB = Boltzmann-Faktor für Temperaturabhängigkeit f(B1, Bm) = räumliche Empfindlichkeitsverteilung des HF-Resonators B1 = HF-Feldamplitude DI = Doppelintegral der differenziell aufgenommenen ESR-Absorptionslinie (DI entspricht RS)
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) über bildgebende ESR erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) der definierte Ort im Messvolumen (2) im Bereich der höchsten Empfindlichkeit des HF-Resonators (1) gewählt ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfindlichkeitsprofil f des HF-Resonators (1) in zwei Raumrichtungen (X, Z) als konstant genähert wird, und in einer dritten Raumrichtung (Y) die längste Erstreckung der ausgedehnten Probe (3) im Messvolumen (2) liegt, wobei die drei Raumrichtungen (X, Y, Z) untereinander orthogonal sind.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilvolumen zylinderförmig ist, und dass die Zylinderachse des Teilvolumens in der dritten Raumrichtung (Y) liegt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (3) in einem Röhrchen (4) angeordnet ist, und dass die räumliche Verteilung der ausgedehnten Messprobe (3) bestimmt wird über die Füllhöhe im Röhrchen (4) und die Position des Röhrchens (4), insbesondere eines unteren Röhrchenendes, im Messvolumen (2).
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