Электронный Парамагнитный резонанс в биологии

Измерение времени релаксации

Из следующих глав книги станет ясно, что измерение времени релаксации может дать очень интересную информацию о биоло­гически важных молекулах. Поэтому здесь мы кратко рассмотрим экспериментальные методы, с помощью которых проводятся такие измерения. Все эти методы основываются на явлении насы­щения, описанном в предыдущем разделе. Из уравнения (3.11) видно, что значение Ti можно найти, зная величину

Z I^i у ) — коэффициента насыщения для данных

Условий, для которых величины Нг и Т? уже известны.

Для определения Т4 проще всего провести серию ЭПР-измере - ний, последовательно увеличивая подводимую к образцу микро­волновую мощность, а следовательно, и величину JPy. Точный расчет абсолютной величины Н на основании параметров микро­волновой схемы затруднителен, и поэтому обычно ее определяют, проводя измерения на эталонном образце, помещенном в тот же резонатор, при тех же значениях проходящей через него микро­волновой мощности. Другой способ состоит в том, что в резонатор одновременно с измеряемым образцом помещают ненасыщающийся образец. В отсутствие насыщения мощность, поглощенная в про­цессе резонансного перехода, возрастает пропорционально Н И, следовательно, пропорционально проходящей через резонатор микроволновой мощности. Таким образом, если построить график зависимости ЭПР-поглощения от входной микроволновой мощ­ности, то момент наступления насыщения можно легко определить по отклонению от линейности. Величину микроволновой мощности лучше всего изменять с помощью точно калиброванного аттенюа­тора, находящегося в главном волноводном тракте. Помимо 77,, нужно определить еще величину 7'2. Вспомним, что этот параметр следующим образом связан с шириной линии резонансного погло­щения в отсутствие насыщения:

= ?д» (3.12)

Где ffi/2 есть ширина линии на половине мощности в области, где зависимость между поглощением и микроволновой мощностью ■еще линейна (т. е. эффект насыщения не проявляется).

Очевидно, что в принципе такой метод измерения времени релаксации не требует никакого другого оборудования, кроме обычного ЭПР-спектрометра. Но если измеряемые значения Тt меняются в широком диапазоне, то потребуются источники микро­волнового излучения со значительно большей выходной мощ­ностью, чем обычно. В тех случаях, когда большинство значений должно быть измерено с высокой точностью, лучше использовать

Импульсную технику, а не спектрометры, работающие в непре­рывном режиме. Микроволновые импульсы высокой мощности можно получить с помощью применяемых в радиолокации магне - тронных генераторов, способных давать импульсы очень большой мощности и малой длительности. Восстановление сигнала после подачи такого мощного входного импульса можно наблюдать прямо на экране осциллографа, а время релаксации определять непосредственно по скорости, с которой сигнал возвращается к норме. Блок-схема такого импульсного спектрометра предста­влена на фиг. 44; в этом приборе мощность от магнетрона подво­дится к находящемуся в резонаторе образцу через циркулятор. С помощью таких мощных импульсных магнетронов в образце

8—1182 Могут создаваться микроволновые магнитные поля до 50 Э (соот­ветствующая намагниченность обозначена на фиг. 45 через yj',).

После выключения мощного импульса величину намагничен­ности контролирует работающий в непрерывном режиме мало­мощный клистрон, мощность от которого также подается на цирку­лятор. ЭПР-поглощение детектируется, как показано, супергете­родинной системой, и, таким образом, можно непрерывно следить за изменением интенсивности сигнала, по мере того как намагни­ченность образца возвращается к своей нормальной величине со скоростью, определяемой временем спин-решеточной релак­сации. Типичная кривая затухания сигнала приведена на фиг. 45.

Для того чтобы найти время релаксации, нужно определить наклон прямой, описывающей зависимость log(l — у"J ) От времени.

Импульсные методы измерения времени релаксации ведут свое происхождение от методов, разработанных ранее для спектро­метров ядерного магнитного резонанса. Подробный анализ спек­тров ЭПР, полученных с помощью таких импульсных или эхо - систем, дает ценную дополнительную информацию (см. литера­туру, приведенную в конце главы). Следует заметить, что можно сконструировать спектрометр, который позволяет измерять одно­временно и время спин-решеточной, и время спин-спиновой релаксации. В таком спектрометре (фиг. 46) используются два мощных магнетронных источника. Оба магнетрона дают в импульсе мощность около 200 Вт. Их импульсы подаются в прямоугольный микроволновый резонатор с разностью фаз 90 и 180°. Прежде чем достигнуть резонатора П102, импульсы проходят через вентиль, направленный ответвитель, два аттенюатора и ферритовый цирку­лятор. Резонатор имеет сильную связь с волноводом через диафрагму большого диаметра, и, следовательно, добротность его низка. Намагничивание образца внутри резонатора приводит

К возникновению сигнала свободной прецессии, который из резо­натора через циркулятор попадает в приемную супергетеродин­ную систему, где он детектируется и воспроизводится. Такой микроволновый спектрометр является полным аналогом импульс­ных спектрометров Хана [13], разработанных для наблюдения ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Таким образом, импульс­ные методы, созданные ранее для изучения ЯМР, можно теперь использовать в ЭПР-спектроскопии для точного определения времени спин-решеточной и спин-спиновой релаксации.