DE2504003C3 - Verfahren zum Messen der Elektronenspinresonanz und dafür geeignetes Spektrometer - Google Patents

Description

sant sind, insbesondere freie Radikale in Lösung und durch Nitroxydgruppen spin-markiertc Biomolcküle. Interesse für chemische und biologische Anwendungen schließt hinsichtlich der Instrumentierung die Notwendigkeit für schnelles Ansprechverhalten in der Größenordnung von 0,1 bis 1 Mikrosekundeund hohe Empfindlichkeit ein.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Messen der Elektronenspinresonanz sowie ein Elektronenspinresonanz-Spcktrometer zu schaffen, mit dem die freien Induktionszerfallsignalc von Sättigungserholungssignalen getrennt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen der Ansprüche 1, 2, 3 bzw. 4 genannten Maßnahmen gelöst.

Zur Anpassung eines solchen Spektrometers an verschiedene Probenrnaterialien, insbesondere auch an unbekannte Probenmaterialien, dienen die Merkmale des Anspruchs 5.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung dient die Zeichnung, in der ein teilweise als Blockschaltbild ausgeführtes Schaltbild eines Spektrometers für die paramagnetische Elektroncnresonanz mit Impulsbetrieb dargestellt ist.

In der Zeichnung ist ein Impuls-Spektrometer 11 für die paramagnetische Elektronenresonanz dargestellt. Eine zu untersuchende Probe ist in einem bimodalen Hohlraumresonator 12 untergebracht. Der bimodale Hohlraum 12 ist entsprechend der US-Patentschrift 3559043 aufgebaut, eine nähere Besprechung ist deshalb nicht erforderlich.

Der bimodale Hohlraum ist so ausgelegt, daß zwei orthogonale Schwingungsmodi bei der gleichen Frequenz geführt werden; er weist einen gemeinsamen Bereich und zwei nicht gemeinsame Bereiche auf, wobei die Probe längs der Y-Achse normal zur Richtung des magnetischen Polarisationsfeldes im gemeinsamen Bereich f.es Hohlraums angeordnet ist. Die Probe wird magnetischen Mikrowellen-Wechselfeldern der beiden orthogonalen Schwingungsmodi des Hohlraums ausgesetzt. Ein kräftiges magnetisches Polarisationsfeld H₀ beaufschlagt die Probe in der Weise, daß in der Probe beide magnetischen iviikroweiienfeider sich unter einem Winkel zum Polarisationsfeld H₀ befinden. Mikrowellenenergie wird dem Hohlraum 12 längs der .Y-Achse von beiden Enden zugeführt, um die beiden orthogonalen Schwingungsmodi des Hohlraums 12 anzuregen. Eine Mikrowellenenergiequelle 13, beispielsweise ein Reflexklystronoszillator 13, regt einen Pumpkanal 14 und einen Beobachtungs-Mikrowellenkanal 15 an.

Im Pumpkanal 14 wird Mikrowellenenergie vom Klystron 13 über einen Isolator 34 einer Eingangsöffnung 16 eines Mikrowellenzirkulators 17 zugeführt. In den Zirkulator 17 bei öffnung 16 eintretende Mikrowellenenergie läuft gegen den Uhrzeigersinn um den Zirkulator herum an Öffnung 18 vorbei und tritt über öffnung 23 zum bimodalen Hohlraum 12 aus. Die Öffnung 18 ist mit einem Mikrowellenleitungsteil 19 gekoppelt, der mit einer angepaßten Last 21 abgeschlossen ist und in dem eine PIN-Diode 22 in der Weise angeordnet ist, daß, wenn diese leitend ist, Mikrowellenenergie zum Zirkulator durch öffnung 18 zurück reflektiert wird und dann aus öffnung 23 hinaus, und wenn die Diode nichtleitend ist, Energie in den angepaßten Dämpfer oder die Last 21 eintreten kann. Ein verschiebbarer Tauchtrimmer 24 ist im Stumpf 19 zwischen der PIN-Diode 22 und der Öffnung 18 des Zirkulators angeordnet, um die Impedanz der PIN-Diode 22 anzupassen. Ein Isolator 25, ein variabler Dämpfer 26 und ein variabler Phasenschieber 27 sind im Pumpkanal 14 zwischen der Quelle

und dem Zirkulator 17 vorgesehen, um eine unerwünschte Reflexion der Pumpenergie in die Quelle 13 und den Beobachtungskanal 15 zu verhindern, während eine Variation der Phase Und Amplitude der Pumpenergie ermöglicht wird.

Vom bimodalen Hohlraum 12 reflektierte Mikroweilenenergie läuft zurück durch den Pumpkanal 14 zur öffnung 23 des Zirkulators 17 und von dort, gegen den Uhrzeigersinn, zur öffnung 28 und von dort in den Arm 29. Der Arm 29 enthält einen angepaßten Mikrowellenkristalldetektor 31. um reflektierte Mikrowellenenergie zu detektieren. Das delektierte Signal wird dann übereine Leitung einem Eingangeines Oszillographen 33 zur Anzeige zugeführt.

Im Beobachtuneskanal 15 wird Mikrowellencnergie vom Ausgang des Klystrons 13 und Isolator 34 über einen Richtungskoppler 35 in den Beobachtungskanal 15 gekoppelt. Von dort wird die Mikrowellenenergie einer Eingangsöffnung 36 eines zweiten Mikrowellenzirkulators 37 zugeführt. In den Zirkulator 37 bei 36 eintretende Mikrowellenenergie pflanzt sich in Richtung gegen den Uhrzeiger um den Zirkulator herum fort und aus der öffnung 38 hinaus und von do*-t über einen Hohlleiter zum zweiten oder Beobachtungsmodus des bimodalen Hohlraums 12. Vom bimodalen Hohlraum 12 reflektierte Mikrowellenenergie läuft zurück durch den Beobachtungskanal 15 und über öffnung 38 in den Zirkulator 37. Innerhalb des Zirkulators 37 pflanzt sich die reflektierte Beoba Mungs-Mikrowellenenergie gegen den Uhrzeiger-

J5 sinn um den Zirkulator herum fort und tritt aus Öffnung 39 auⁱ von dort wird sie über einen Isolator 41 in einen Mikrowellen-Kristalldetektor 42 zum Nachweis eingespeist.

Eine Mikrowellenenergie-Bezugsphase oder -Referenzphase wird dem Kristalldetektor 42 über einen Referenz-Mikrowellenarm 43 zugeführt, der im Nebenschluß zum Zirkulator 37 liegt und über einen Richtungskoppler 44 mii dein niiomauiwmiigcii Eiiuc des Beobachtungskanal-Hohlleiters verbunden ist.

Der Referenzarm 43 weist einen variablen Dämpfer 45 auf, um den Mikrowellenenergiepegel zu kontrollieren, der dem Kristalldetektor 42 zugeführt wird, und einen variablen Phasenschieber 46, mit dem die Phasenlage der Referenz-Mikrowellenenergie kontrolliert wird, die dem Detektor 42 zugeführt wird. Eine PIN-Diode 47 ist zwischen der Eing?ngsöffnung 36 des Zirkulators 37 und dem Klystron 13 vorgesehen, um die Amplitude der Mikrowellenenergie zu modulieren, die durch den Beobachtungskanal 15 vom Klystron 13 zum bimodalen Hohlraum 12 läuft. Ein variabler Dämpfer 48 ist zwischen dem Zirkulator 37 und dem Klystron 13 vorgesehen, um den Leistungspegel der Mikrowellenenergie variabel einzustellen, die vom Klystron 13 zum bimodalen Hohlraum 12 läuft. Ein Isolator 49 ist zwischen dem Klystron und dem variablen Dämpfer 48 vorgesehen, um die Reflexion von Mikrowellenenergie zurück zum Klystron 13 zu verhindern. Eine vierte öffnung 51 des Zirkulators 37 ist mit einer angepaßten Last 52 abgeschlossen.

Zwei Feldmodulatjonsspulen 53 sind angrenzend an den bimodalen Hohlraum 12 oder innerhalb desselben angeordnet, um dem magnetischen Polarisa-

25 04 D03

tionsfcld H₀ cine KompOliente eines Magnetfeldes parallel zu H₀ zu überlagern. Ein Empfänger 54 ist so angeschlossei', daß er Resonanzsignale delektiert, die vom Detektor 42 aufgenommen werden, um ein Ausgangssignal zu liefern, das auf einem Schreiber 55 in Abhängigkeit von der Zeit oder anderen Signalen, je nach Wunsch, aufgezeichnet wird. Ein Taktgeber und'feiler 56 dienen dazu, eine Anzahl verschiedener Zeitgabesignale zu liefern, die verschiedenen Elementen des Empfängers und Pumparms zugeführt werden, um die Pumpenergieimpulse zeitlich zu steuern, die zur Anregung der Probe angelegt werden, um gewisse Funktionen des Empfängers 54 zeitlich zu steuern, und um das Feld über Fcldmodulationsspulc 53 zu modulieren oder die Amplitude der Beobachtungs-Mikrowellcnenergie über Modulation, die an die PIN-Diode 47 angelegt wird, zu modulieren. Diese verschiedenen Modulationstechniken und Empfangsicchniken werden im einzelnen noch erläutert.

Zusätzlich ist eine automatische Frequenzregeischaltung vorgesehen, die ein detektiertcs Resonanzausgangssignal vom Empfänger 54 ableitet und es einem Eingang eines phasenempfindlichen Detektors 57 zuführt, zwecks Vergleich mit einem Bezugssignal von einem Oszillator 58. Der Oszillator dient auch dazu, die Frequenz der Mikrowellenenergie zu modulieren, die von Quelle 13 abgeleitet wird, über eine Transformatorkopplung 59 und eine zweite Leitung 61, die mit einer Frequenzsteuer- oder Reflektorspannung eines Reflexklystronoszillators verbunden ist, wenn dieses als Quelle 13 dient. Eine Frequenzmodulation der Quelle 13 um ihre Mitten- oder Trägerfrequenz liefert eine detektierte Resonanzsignalkomponente bei dieser Frequenz, die phasenempfindlich in dem phasenempfindlichen Detektor 57 gleichgerichtet wird, um ein Abweichungs-GIeichstromsignal zu liefern, das ebenfalls der Frequenzregelungs- oder Reflektor-Spannung des Klystrons 13 über Leitung 61 zugeführt wird, um die Trägerfrequenz des Klystrons 13 mit der Mitte einer Resonanzlinie der Probe zu verrasten, wie sie mit dem Detektor

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Das Spektrometer 11 für die paramagnetische Elektronenresonanz kann in einer Anzahl von verschiedenen Betriebsarten benutzt werden, sowohl in einem Dauerstrichbetrieb als auch im Impulsbetrieb. Das in der Zeichnung dargestellte Spektrometer ist besonders gut geeignet zur Analyse von Einschwing-Resonanzsignalen und insbesondere zur Trennung des flüchtigen, freien Induktionszerfall-Resonanzsignals vom flüchtigen Sättigungs-Erholungssignal. Um diese beiden Signale zu trennen, wird das Spektrometer anfänglich durch Betrieb im Dauerstrichbetrieb eingestellt, und die Parameter werden so eingestellt, daß im Detektor 42 detektiert wird, wobei die Beobachtungsenergie abgeschaltet ist oder niedrig liegt in der Mitte einer Dispersions-Resonanzlinie der zu untersuchenden Probe. Wenn auf diese Weise im Impulsbetrieb gearbeitet wird, hat das freie Induktionszerfallsignal, wie es vom Pumpkanal in den Beobachtungskanal durch die Resonanz der Probe gekoppelt wird, die Amplitude 0, und stört damit das Detektieren des Sättigungserholungssignals nicht, das durch die Beobachtungsenergie im Beobachtungskanal überwacht wird.

Um anfänglich die Parameter des Spektrometer auf die Mitte einer Dispersions-Resonanzlinie der zu untersuchenden Probe einzustellen, wird der Schalter 65 in die Mittelstellung gebracht, so daß die Rcchtcck-Ausgangsspannung des Taktgebers 56 von 50 Hz von der Feldmodulationsspule 53 getrennt wird. Der Schalter 67 wird so eingestellt, daß der Ausgang eines

iOO-kHz-Ösziilatofs 68 mit den Modulationsspulen 53 verbunden wird. Der ???????? Signalausgang des Detektors 42 wird im Verstärker 69 Verstärkt und einem Eingang eines phasenempfindlichen Detektors 42 zugeführt, wo er phaseneiripfiridlich gegen den

ίο lOO-kHz-Öszillatof-Ausgang gleichgerichtet wird, lim ein Glcichstrom-Resonanzsignal abzuleiten, das im Schreiber 72 aufgezeichnet wird. Der Dämpfer 26 im Pumparm 14 wird auf maximale Dämpfung eingestellt, und der Dämpfer 48 im Bcobachtungsarm 15 wird auf einen Pegel eingestellt, der adäquat zum Selektieren der magnetischen Resonanz einer Probe ist. die im bimodalen Hohlraum 12 angeordnet ist.

Das Resonanzsignal, das im Schreiber 72 durch die Modulation des Polarisations-Uleichfeldes durch Oszillator 68 aufgezeichnet wird, ist die erste Ableitung des betreffenen delektierten Resonanzliniensignals. Eine Einheit 73 steuert die Größe des magnetischen Polarisationsfeldes H₀, das mit einem Elektromagneten erzeugt wird, wie durch Spule 74 angedeutet wird Der Benutzer stellt die Phase des Phasenschiebers 46 im Bezugsarm 43 auf reine Absorptionsmodusresonanz ein.

Als nächstes wird die vom Klystron 13 zum bimodalen Hohlraum über den Beobachtungskanal gesendete Mikrowellenenergie praktisch abgestellt, indem der Dämpfer 48 im Beobachtungsarm so eingestellt wird, daß die Beobachtungsenergie stark gedämpft wird. Der Dämpfer 26 im Pumpkanal wird dann auf erhebliche Leistung im Pumparm eingestellt. Die Dauerstrichresonanz der Probe wird am Beobachtungskristall 42 durch Transmission vom Pumparm über den Hohlraum zum Detektor 42 detektiert. Der Phasenschieber 27 im Pumparm wird variiert, um die reine Absorptionsmodusresonanz der Probe im Beobachtungskanal am Detektor 42 zu detektieren.
Als nächstes wird der Dämpfer 48 im Beobach-

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gnal vom Pumpkanal, wie es in den Detektor 42 im Beobachtungskanal 15 gekoppelt wird, in Amplitude gleich und entgegengesetzt dem Absorptionsresonanzsignal ist, wie es im Beobachtungskanal 15 am Detektor 42 detektiert wird. Falls notwendig, wird der Phasenschieber 27 im Pumparm 14 um 180° verschoben, um eine Auslöschung der Signale zu erhalten.

so Der Phasenschieber 27 im Pumpkana! 14 ist vorzugsweise ein kalibrierter Phasenschieber, so daß die Phase nach Wunsch verschoben werden kann. Der kalibrierte Phasenschieber 27 im Pumpannkanal 14 wird dann um 90° verschoben, so daß das Resonanzsignal, das im Detektor 42 durch die Kopplung von Pumpenergie bei Resonanz durch den bimodalen Hohlraum detektiert wird, dem Dispersionsmodussignal entspricht. Das magnetische Polarisationsfeld H₀ ist auf den Nulldurchgang einer Dispersions-Resonanzlinie eingestellt. Die Energie im Beobachtungskanal wird dann auf einen kleinen, nicht sättigenden Pegel eingestellt, in dem die Dämpfung des Dämpfers 48 erhöht wird. Auf diese Weise ist das Spektrometer dann auf ' den Nulldurchgang des Dispersionsmodus der Pumpenergie eingestellt, die bei Resonanz durch die Probe zum Detektor 42 gekoppelt wird, und der Beobachtungskanal ist auf das Absorptionsmodus-Resonanzsignal eingestellt, wie es durch Resonanz der Probe

in den Beobachtungskanal zurück reflektiert wird.

Der Schalter 67 wird dann in die mittlere oder »Ausstellung gebracht, und Schalter 65 wird geschaltet, so daß die Fcldmodulationsspulen 53 mit dem SO-Hz-Rechteckschwingungsausgang des Taktgebers und der Teiler 56 verbunden werden. Ein weiterer Ausgang des Taktgebers 56 wird auch der PIN-Diode 22 im Pumpkanal zugeführt, um die Pumpenergie bei einer bequemen Pump-Impuls-Wiederholrate von 6,25 bis 50 kHz zu pulsen. Dadurch ergibt sich ein Betrieb des Spektrometers 11 im Kurzzeitoder Impulsbetrieb.

Wenn das Spektrometer anfänglich in der beschriebenen Weise eingestellt ist, entspricht das freie Induktionssignal, wie es im Detektor 42 detektiert wird, einer Nullstelle des Dispersions-Resonanzsignals. Das detektierte vorübergehende freie Induktionszerfall-Resonanzsignal bleibt im Anschluß an jeden Pumpimpuls bei Intensität 0. Das Sättigungs-Erholungssi-

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Diese Art einer kohärenten Zeitgabe vermeidet Probfeme, die durch Schwebungen von Harmonischen der verschiedenen Frequenzen auftreten können.

Das Hochpaßfilter 79 hält niederfrequente Störungen davon ab, auf das Integratorgatter zu treffen und nach oben in die Wiederholfrequenz gewandelt zu werden. Bei der Zeitgabefolge wird die Pumpleistung mehrfach während jedes Halbzyklus der 50-Hz-Modulation ein- und ausgeschaltet.

Der Ausgang des Boxcar-Integrators 82 wird einem Eingang eines phasenempfindlichen Detektors 83 zugeführt, wo er phasenempfindlich gegen die 50-Hz-Rechteckschwingung vom Taktgeber 56 gleichgerichtet wird. Die phasenempfindliche Gleichrichtung bei 50 Hz wird dadurch verwirklicht, daß der Integratorausgang abwechselnd mit zwei Abfrage- und Halteschaltungen am Ende eines jeden Halbzyklus abgefragt wird. Nach jedem Abfragen wird der Integrator 82 entladen. Die Abfrage- und Halte-Schaltungen

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schwache, nicht sättigende Beobachtungs-Mikrowellenenergie im Beobachtungskanal verwendet wird. Die automatische Frequenzregelschaltung wirkt auf den Beobachtungsmodus derart, daß das Erholsignal reine Absorption ist.

Die Impulswiederholrate, wie sie von der Taktgeber- und Tcilerschaltung 56 abgeleitet und der PIN-Diode 22 zugeführt wird, wird auf eine solche Wiederholrate eingestellt, daß die Wiederholperiode größer als T₁ ist, die Longitudinal-Relaxationszeit der Probe. Die Rechteckschwingung-Feldmodulation bei der niedrigen Frequenz von 50 Hz bewirkt abwechselnd die Erfüllung und Nichterfüllung der Resonanzbedingungfür die Probe. Das Absorptions-Resonanzsignal, wie es im Detektor 42 detektiert wird, wird einem Eingang eines Vorverstärkers 78 des Empfängers 54 zur Verstärkung zugeführt und von dort über ein Hochpaßfilter 79 zu einem Impulsverstärker 81. Der Ausgang des Impulsverstärkers 81 wird einem Eingang eines Boxcar-Integrators 82 zugeführt.

Um die Impuls-Signale besser zu analysieren, ist der Boxcar-Integrator 82 vorgesehen. Der Boxcar-Integrator 82 erhöht den Fremdspannungsabstand einer sich wiederholenden Schwingungsform dadurch, daß wiederholt ein kleiner Teil der Schwingungsform in einen Integrator gegattert wird, wobei das Gatter langsam längs der Schwingungsform bewegt wird. Im vorliegenden Falle weist der Boxcar-Integrator 82 eine PMOSFET-Einrichtung auf, um das Signal in einen aktiven Integrator zu gattern. Die Gatter- (oder öffnungs-)Impulse werden von einem Schieberegister und anderen Digitalschaltungen innerhalb der Taktgeber- und Teiler-Schaltung 56 abgeleitet. Die Öffnung wird mit kleiner Geschwindigkeit um einen Betrag gleich der Öffnungsbreite fortgeschaltet, so daß die Resonanzsignale, wie sie im Schreiber 55 aufgezeichnet werden, das Aussehen einer Treppe erhalten. In einem typischen Falle können immerhin 100 Stufen vorgesehen sein, d. h. Öffnungsimpulse, wenn durch eine gegebene Schwingungsform hindurchgeschritten wird. Die minimale Öffnungszeit beträgt etwa 100 Nanosekunden, etwa genauso viel wie die Abklingzeit des bimodalen Hohlraums 12.

Die Öffnungsbreite, die Öffnungsschrittrate, die Pumpimpuls-Wiederholrate, die Pumpimpulslänge, und die SO-Hz-RechteckschwingungsmoduIation der Beobachtungsleistung oder des Magnetfeldes werden alle vom 10-MHz-Haupt-Taktgeber 56 abgeleitet.

ein konventionelles RC-Filter speist, dessen Zeitkonstante etwas geringer ist als die Haltezeit für jede Stufe der Zerfallskurve des beobachteten vorübergehenden Resonanzsignals. Schließlich wird das phasenempfindlich detektierte Resonanzsignal der Y-Achse des X-Y-Schreibers 55 zugeführt. Die A'-Achse des Schreibers 55 wird gleichlaufend mit den Schritten oder Stufen der Öffnungsverzögerung fortgeschaltet. Statt dessen kann der Ausgang des RC-Filters am Ausgang des phasenempfindlichen Detektors 83 einem logarithmischen Verstärker und von dort dem Schreiber 55 zugeführt werden.

Als eine Alternative zur Feldmodulation bei der niedrigen Frequenz von 50 Hz und dem Schalten zu und von der Resonanz kann der Schalter 65 so eingestellt werden, daß die Amplitude der Beobachtungsenergie von einem ersten auf einen zweiten, erheblich niedrigeren Pegel geschaltet wird, indem die 50-Hz-Modulation auf die PIN-Diode 47 im Beobachtungskanal geschaltet wird. Diese Modulation im Resonanzsignal, wie es im Detektor 42 detektiert wird, wird dann phasenempfindlich im phasenerrofindlichen Detektor 83 gleichgerichtet, um das Ausgangsresonanzsignal zu reproduzieren, wie es auf Schreiber 55 aufgezeichnet wird.

Die freien Induktionszerfallsignale, wie sie vom Pump- zum Beobachtungskanal durchgekoppelt werden, hängen nicht vom Energiepegel im Beobachtungsmodus des bimodalen Hohlraums ab, während

so die Sättigungserholungssignale tatsächlich vom Energiepegel im Beobachtungsmodus abhängen. Eine phasenempfindliche Gleichrichtung des detektierten Resonanzsignals mit der 50-Hz-ModuIation des Energiepegels im Beobachtungskanal ergibt also eine Möglichkeit, das Sättigungs-Erholungssignal vom freien Induktionszerfallsignal zu trennen.

Bei dem sehr niedrigen Beobachtungsleistungspegel wird ein freies Induktionszerfallsignal im Anschluß an einen Pumpimpuls beobachtet, während beim höheren Beobachtungsleistungspegel das detektierte Resonanzsignal die Überlagerung des freien Induktionszerfallsignals und des Sättigungs-Erholungs-Signals ist. Die phasenempfindliche Gleichrichtung im phasenempfindlichen Detektor 83 ergibt damit eine experimentelle Einrichtung, mit der die beiden Zerfallsignale subtrahiert werden können, so daß das freie Induktionszerfallsignal ausgelöscht und nur das Sättigungs-Erholungssignal aufgezeichnet wird. Ej ist not-

wendig, daß der Beobachtungs-Leistungspegel während des Hochleitungsteils des Zyklus immer noch erheblich niedriger liegt, als zur Sättigung erforderlich.

Dieses letztere Verfahren zur Trennung des Siittigungs-Erholungs-Signals vom freien Induktionszerfallsignal kann verwendet werden, ohne daß das Spektrometer anfänglich auf eine Null des Dispersionsmodus der Pumpenergie eingestellt wird, die durch Resonanz der Probe in den Beobachtungskanai gekoppelt wird. Es werden jedoch bessere Resultate erzielt, wenn beide Trennungsverfahren der Sättigungserhölüngvoriderri freien Indüktiönszerfäii gleichzeitig verwendet werden, d. h. der Beobachtüngsleistungs-

pegel wird moduliert und das Spektrometer wird au^r eine Null der Dispersion des Pumpmodus und eine Spitze des Absorptionsmodus im Beobachtungskanal eingestellt.

Das dctektierte Sättigungs-Erholungssignal kann in Abhängigkeit vom magnetischen Polarisationsfeld //,, ausgegeben werden, so daß sich ein aufgezeichnetes EPR-Spektrum ergibt. Das ist nüt2Üch, um überlappende Spektren mehrerer paramagnetischer Arten

ίο mit unterschiedlichen Spin-Gitter-Relaxationszeiten zu trennen. Bei dieser Betriebsart wird die Öffnungsverzögerungfür ein gegebenes Spektrum konstant gehalten, von Spektrum zu Spektrum jedoch variiert, um die überlappenden Spektren zu trennen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen der Elektronenspinresonanz einer Probe, bei dem

a) die Probe in ein polarisierendes Gleichmagnetfeld gebracht wird,

b) die Probe mit einem gepulsten Pumpmikrowellensignal hoher Leistung beaufschlagt wird,

c) die Probe weiter mit einem gleichfrequenten, aber orthogonal entkoppelten Beobachtungsmikrowellensignal vergleichsweise geringer Leistung beaufschlagt wird, und

d) die Resonanz der Probe mit einem Mikrowellendetektor überwacht wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

e) das Pump- und das Beobachtungsmikrowellensignal von dergleichen Mikrowellenquelle abgeltet werden,

f) das Verhältnis der Frequenz von Pump- und Beobachtungsmikrowellensignal zur Stärke des Gleichmagnetfeldes entsprechend dem gyromagnetischen Verhältnis einer zu beobachtenden Resonanzlinie der Probe gewählt wird,

g) dem Mikrowellendetektor ein von der Mikrowellenquelle abgeleitetes Bezugsmikrowellensignal zugeführt wird, dessen Phasenlage relativ zu der des Pumpmikrowellensignals derart eingestellt wird, daß der Dispersionsmodus des vom Pumpmikrowellensignal angeregten w.J zum Detektor gekoppelten freien Induktionszerfallssignals empfangen wird,

und

h) die Phasenlage des Beobachtungsmikrowellensignals relativ zu der des Bezugsmikrowellensignals so eingestellt wird, daß der Absorptionsmodus der vom Beobachtungsmikmwellensignal angeregten Resonanz detektiert wird.

2. Verfahren zum Messen der Elektronenspinresonanz einer Probe, bei dem

a) die Probe in ein polarisierendes Gleichmagnetfeld gebracht wird.

b) die Probe mit einem gepulsten Pumpmikrowellensignal hoher Leistung beaufschlagt wird.

c) die Probe weiter mit einem gleichfrequenten, aber orthogonal entkoppelten Beobachtungsmikrowellensignal vergleichsweise geringer Leistung beaufschlagt wird, und

d) die Resonanz der Probe mit einem Mikrowellendeteklor überwacht wird.

dadurch gekennzeichnet, daß

e) das Pump- und das Beobachtungsmikrowellensignal von der gleichen Mikr»we!leni|iiellc abgeleitet werden,

f) die Leistung des Beobachtungsmikrowellensignals moduliert wird, Und

g) die Modulatonssignalkomponente im Ausgangssignal des Mikrowcllendctektors synchron delektiert wird.

3. Elektronenspinresonanz-Spcktrometer mit a) einem Magneten zur Erzeugung eines eine

zu untersuchende Probe polarisierenden Gleichfeldes,

b) einem bimodalen Hohlraumresonator, in dem die Probe innerhalb eines zwei Moden gleicher Frequenz führenden Bereichs angeordnet ist,

c) Einrichtungen zur Erzeugung eines gepulsten Pumpmikrowellensignals hoher Leistung sowie eines gleichfrequenten Beobachtangsmikrowellensignals vergleichsweise geringer Leistung,

ίο d) einem das Pumpmikrowellensignal dem Hohlraumresonator zuführenden Pumpsignalkanal sowie einem das Beobachtungsmikrowellensignal dem Hohlraumresonator zuführenden Eeobachtungssignalkanal,

is e) einem Mikrowellendetektor im Beobach

tungssignalkanal, und

f) einer an den Mikrowellendetektor angeschlossenen Signalverarbeitungsschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß

g) die Einrichtungen zur Erzeugung des Pump- und des Beobachtungsmikrowellensignals eine einzige Mikrowellenquelle (13) umfassen,
h) Mittel zur Einstellung des Verhältnisses der Frequenz der Mikrowellenquelle zur Stärke

des polarisierenden Gleichfeldes vorgesehen sind,

i) ein die Mikrowellenquelle (13) mit dem Mikrowellendetektor (42) verbindender Bezugsmikrowellensignalkanal (43) vorgesehen

ist. und

j) in zweien der drei Mikrowellensignalkanäle (14, 15.43) jeweils ein einstellbarer Phasenschieber (27, 46) angeordnet ist.

4. Elektronenspinresonanz-Spektrometer mit

a) einem Magneten zur Erzeugung eines eine zu untersuchende Probe polarisierenden Gleichfeldes.

b) einem bimodalen Hohlraumresonator, in ■to dem die Probe innerhalb eines zwei Moden

gleicher Frequenz führenden Bereichs angeordnet ist.

c) Einrichtungen zur Erzeugungeines gepulsten Pumpmikrowellensignals hoher Leistung so-

■»5 wie eint-* gleichfrequenten Beobachtungsmi-

krowellcnsignals vergleichsweise geringer Leistung.

d) einem das Pumpmikrowellensignal dem Hohlraumresonator zuführenden Pumpsignalkanal sowie einem das Beobachtungsmi-

krowellcnsignal dem Hohlraumresonator zufuhrenden Beobachtungssignalkanal.

e) einem Mikrowellendetektor im Beobachtungssignalkanal, und

f) einer an den Mikrowellendetektor angeschlossenen Signal Verarbeitungsschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß
g) die Einrichtungen zur Erzeugung des Pumpuncl des Beohachtungsmikrowellensignals b0 eine einzige Mikrowellenquellc (13) umfas

sen,

h) im Beobachfungssignalkanal ein Modulator (47) zur Umtastung der Leistung des Beobachtungsmikrowellensignals zwischen zwei jeweils nicht sättigenden Pegeln angeordnet

ist, und

i) in der Signal verarbeitungsschaltung (54) eine Differenzbildungseinrichtung (82, 83) zur

3 4

Subtraktion der bei den beiden Pegeln je- Impuls-EPR-Experimente sind historisch in verweis delektierten Resonanzsignale enthalten schiedenen Arten ausgeführt worden, nämlich: Spinist, echo, Sättigungserholung, freier Induktionszerfall und 5. Spektrometer nach Anspruch 3 oder 4, da- Torrey-Oszillationen. Vorrichtungen, die für einen durch gekennzeichnet, daß Mittel (26,45, 48) zur ⁵ solchen Anwendungsfall entworfen sind, können häuvariablen Einstellung der relativen Amplituden fig für andere brauchbar sein. Insbesondere ist die hier von Pumpmikrowellensignal und Beobachtungs- beschriebene Vorrichtung zur Beobachtung von Sättimikrowellensignal vorgesehen sind. gungserholung, freiem Induktionszerfall und Torrey-Oszillationen verwendet worden. Ihr Hauptzweck ist l° jedoch, Spin-Giner-Relaxationszeiten unter Verwen-

dung der Sättigungs-Erhol-Technik zu messen. Bei

diesem Verfahren wird die Besetzung von zwei Niveaus durch ein intensives Pump-Hochfrequenzfeld

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem gegenüber der Gleichgewichts-Boltzman-Besetzung Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2 sowie ein Spek- '⁵ geändert, und die Erholung zum thermischen Gleichtrometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3 gewicht hin wird mit einem schwachen Beobach- bzw. 4. tungs-Mikrowellenfeld beobachtet. Die Sättigungs-Es sind bereits Spektrometer für die paramagneti- Erholungs-Technik wurde erstmals beschrieben von sehe Eiektronenresonanzbekanntgeworden, in denen C. F. Davis, Jr., M. W. P. Strandherg und R. L. ein bimodaler Probenhohlraumresonator verwendet 20 Kyle, »Physical Review« III, 1268 (195K).
wird, der so dimensioniert und angeordnet ist, daß Weiter ist ein Spektrometer füi .;ie paramagnetizwei orthogonale Modi geführt werden, die "inen ge- sehe Elektronen-Resonanz mit Impu.sbetrieb beineinsamen Bereich miteinander teilen, in dem die /u kannt, das zur Beobachtung von Sättigungserholefuntersuchende Probe angeordnet wird. Die Probe fekten eine gemeinsame Quelle für Mikrowellepenerwird mit Pump-Mikrowellenenergie bestrahlt, die mit 25 gj_e sowohl für den Pump- als auch den Beobacheinem der Schwingungsmodi des Hohlraums gekop- tungs-Kunal benutzt. In solchen Spektrometern pelt ist, und zwar über einen Pump-Mikrowellenkanal. wurden sowohl Transmissions- als auch Reflexions-Die Resonanz wurde dadurch beobachtet, daß der Hohlräume verwendet, jedoch nie bimodale Hohlzweite orthogonale Modus des Resonators mit Mikro- räume. Solche Spektrometer mit gemeinsamer kohäwellenenergie angeregt wurde, die allgemein einen 30 renter Quelle für Pump- und Beobachtungs-Kanal niedrigeren Energiepegel hat und von einer zweiten sind mehrfach bekannt geworden (K. D. Bowers und MikrcKveüenquelle abgeleitet und dem Hohlraum W. B. Mims, »Physical Review«, Band 115, Seite über emen Beobachtungs-Mikrowellenkanal züge- 285, 1959 und P. L. Scott und C. D. Jeffries »Phyführt wird. Resonanz wurde mit einem Mikrowellen- sical Review«, Band 127. Seite 32, 1962).
detektor im Beobachtungskanal detektiert (US-Pa- 35 Ein zentrales Problem, das bei Impulsexperimenten tentschrift 3 559043). der paramagnetischen Elektronenresonanz auftritt. Es ist ferner bekannt, ein Spektrometer für die pa- besteht darin, daß es sehr schwierig ist, einen Impuls ramagnetischc Elcktronenresonanz mit einer Mikro- zu liefern, der eine vernachlässigbare Projektion der wellen-Reflexionshohlraumbrucke auszustatten. Die Elektronenspin-Magnetisierung M auf die X-Y-Brücke weis' einen Zirkulator mit vier Öffnungen auf. 40 Ebene im rotierenden Bezugsrahmen liefert, d.h. M₁ wobei eine Mikrowellenenergiequelle an eine erste und M_y. Das liegt hauptsächlich daran, daß die verÖffnung angelegt ist, ein angepaßter Probenhohl- fügoare HF-Feld-Intensität H₁ erheblich kleiner ist raumresonator mit einer zweiten Öffnung gekoppelt als die spektralen Breiten und oft kleiner als die Breite ist und ein Detektor mit einer dritten Öffnung gekop- von inhomogen verbreiterten Hyperfein^rukturlipelt ist, wobei ein Bezugskanal die Mikrowellenquel'e 45 nien. Wenn nach dem Pump-Mikrowellenimpuls M₁ und den M'krowel'endetektor mite^;nander verbindet, und M_y endlich sind, ergibt sich ein freies Induktionsum eine Kezugsphase für den Detektor zu liefern Zerfallssignal, das mit dem Sättigungs-Erholsignal (US-Patentschrift 3714550). wetteifert. Freier Induktionszerfall ist die zeitliche Ferner ist bekannt, einen bimodalen Hohlraum in Entwickung der beobachtbaren Komponenten der einem Spektrometer fi>r die paramagnetische Elek- 50 Magnetisierung Ai₁ und M_y beim Fehlen irgendweltronenresonanz mit Impulsbetrieb zu verwenden. In eher auf die Probe euftreffenden Mikrowcllenleistung einem dieser bekannten Spektrometer wird die Ma- zur Intensität O hin. Es ist ein Quer-Relaxationsprognetisierung der in einem Pumpmodus des bimodalen zeß oder eine Entphasung der Spins. Wenn ein freies Hohlraums angeordneten Probe dadurch umgekehrt. Irdul iionssignal vorhanden ist, überlagert es sich dem daß ein 180°-Mik'.owellen-Impuls an die Probe gege- 55 Sättigungserholsignal in kohärenten Spektrometern ben wird. Die Wiedererholung der Spinsysteme wild und ergibt in inkohärenten Spektrome'ern eine mit einer schwachen, nicht sättigenden Beobach- Schwebung. Dieses Problem scheint bisher nicht ertungsquelle für Mikrowellenenergie überwacht, die kannt zu sein, möglicherweise weil die Entphasungsdem Beobachtungsmodus des bimodalen Hohlraums zeiten erheblich kürzer waren a'sSpin-Gitter-Relaxazugeführt wird. In diesem bekannten Spektrometer 60 tionszeiten in tatsächlich untersuchten Proben,
waren jedoch die Beobachtungs* und die Pump- Es besteht also ein Bedarf für ein verbessertes Quelle inkohärent, d. h. sie wurden nicht von der glei- Spektrometer für die paramagnetische Elektronenrechen Quelle für MikroweHenenergie abgeleitet und sonanz mit einer Einrichtung, mit der das freie Indukwaren nicht kohärent in dem Sinne, daß sie die iden- tions7xrfallssignal vom Sättigungs-Erholungssignal tische Frequenz sowohl für den Pump- als auch den 65 getrennt werden kann, Ein solches Spektrometer ist Beöbachtungs-Modus verwendeten (S. A. Collins, besonders nützlich für Zeitdomänen-Resonanzunter-Jr., R. L. KyIe und M. W. P. Strandberg »Physical suchungen der paramagnetischen Elektronenreso-Review Letters«, Nr. I₁ Seite 88, 1959). nanz bei Proben, die chemisch und biologisch interes-