Электронный Парамагнитный резонанс в биологии

Методы усреднения (накопления)

За последние годы в исследовании очень слабых сигналов ЭПР произошел коренной переворот, связанный с появлением методов усреднения и интегрирования. Их главная ценность для ЭПР-спек - троскопии состоит в том, что они позволяют исследовать быстро изменяющиеся спектры — обстоятельство, особенно важное при изучении биохимических реакций. Однако идея и способы приме­нения этих методов будут более понятны, если мы начнем с самого простого случая и рассмотрим, как с их помощью можно повысить чувствительность спектрометра для статического ЭПР-сигнала; лишь после этого мы перейдем к более сложному случаю быстро изменяющихся спектров и, наконец, к нестационарным процессам.

Чтобы пояснить сущность метода, рассмотрим сигнал, замаски­рованный шумом (фиг. 27, А). Если такой сигнал записывать с обычной постоянной времени, равной 10 с, то самописец зафик­сирует только беспорядочные шумы. Основной принцип метода усреднения заключается в многократном повторении замаскиро­ванного шумом сигнала, причем результат каждого прохождения отсылается в накопительное устройство, где он суммируется со всеми хранящимися там предыдущими сигналами. Схематически это показано на фиг. 27, Б, где ось Н разделена на большое число малых интервалов. По мере прохождения магнитным полем каж­дого из этих интервалов соответствующий сигнал с выхода спек­трометра последовательно подается в различные накопительные каналы. Так, когда магнитное поле достигает определенного значения между точками а и Ъ спектра, сигнал с выхода спектро­метра подается в канал между А и В в накопительном устройстве. Таким образом, если весь спектр разделен по полю на 100 интер­валов, в записывающем устройстве должно быть 100 каналов для накопления сигналов, получаемых поочередно при каждом значении поля.

Если таким способом записывается только однократное про­хождение магнитного поля, форма зарегистрированного сигнала, разумеется, не будет ничем отличаться от приведенной на фиг. 27, Л и сигнал будет полностью скрыт под шумами. Если эту операцию повторить второй раз, величина выходного напряжения спектро­метра, подаваемого в каждый накопительный канал, будет снова

Методы усреднения (накопления)

Осцшша, т ф

Ими ссм' писец

Нпкшшпельные

Методы усреднения (накопления)

Выход дтеклюра

Шум

' ш

Разас/яака года

Методы усреднения (накопления)

Сиихроншютир Развертки лат И перебора каналов

I.'ПР-спектр ометг

Перибор каналов

Выход к

Накопи тельным каналам

С


Б

Фиг. 27. Увеличение отношения сигнал/шум с помощью накопления.

А — типичный сигнал, : амаскированпый шумом детектора (результат однократного прохождения спектра) Б — деление диапазона развертки магнитного по^я на малые интервалы, свячаниые каждый с сочтветствуюш-м накопительный каналом,

Определяться уровнем интенсивности сигнала (которая будет той же самой, что и при первом прохождении) плюс значение шума в каждый данный момент. Аналогично при третьем и четвертом прохождениях на вход каждого канала будет подаваться напря­жение, состоящей из сигнала поглощения при данном значении поля и соответствующего уровня шума. Но в то время как вели­чина накопленного сигнала, соответствующего резонансному поглощению, будет расти линейно с числом прохождений п,
Результирующий шум будет пропорционален Уп (так как значе­ние шума при каждом отдельном прохождении является случай­ной величиной и не зависит от уровня шума при других прохожде­ниях). Следовательно, по мере увеличения числа прохождений отношение сигнал/шум будет расти пропорционально г п. В результате сигнал поглощения выделяется из шума; присоеди­нив выход накопительного устройства к осциллографу или само­писцу, можно видеть, как при достаточном количестве прохожде­ний сигнал становится различимым на фоне шума.

Методы усреднения (накопления)

Поглощения

Фиг. 28. Блок-схема накопителя. Сигнал ЭПР при помощи преобразователя напряжения в частоту превращается в серию импульсов, и сосчитанное число импульсов, представляющее интенсивность сигнала, фиксируется в памяти машины.

Любая интегрирующая система такого рода должна включать два основных компонента. Первый — это соответствующее нако­пительное устройство, второй — синхронизирующее устройство, необходимое для того, чтобы развертка магнитного поля при каждом прохождении начиналась с одной и той же исходной точки и последовательные накопительные каналы открывались точно в нужные моменты. На начальном этапе развития техники нако­пления было испытано множество различных накопительных устройств, в частности магнитные ленты и фотокатодные трубки. Однако настоящее развитие этих методов началось после того, как Клейн и Бартон [4] показали, что в качестве накопительного устройства можно с успехом использовать специальную цифровую вычислительную машину — накопитель. В каждом из множества каналов памяти этой машины может храниться любое число от 0 до Ю4. Так как в этом устройстве хранятся числа, а не напря-

Методы усреднения (накопления)

Фиг. 29. Типичные сигналы ЭПР, полученные с помощью накопления.

А спектр ионов марганца (разбавленный водный раствор): 1 — одно прохождение,

11 5000 прохождений. Б — спектр типичного органического свободного радикала

(разбавленный раствор): IIV — 1, 10, 100 и 2500 прохождений соответственно.

Жения, между выходом ЭПР-спектрометра и входом накопитель­ных каналов помещают преобразователь, превращающий выход­ное напряжение спектрометра, которое служит мерой интенсив­ности сигнала поглощения (плюс шум), в пропорциональное ему число (частоту). Соответствующая схема показана на фиг. 28.

По мере прохождения спектра ЭПР (посредством изменения магнитного поля) выходное напряжение спектрометра с помощью синхронизирующего устройства последовательно подается в раз­личные накопительные каналы. Числа, поступающие в каждый канал, прямо пропорциональны интенсивности выходного сиг­нала спектрометра в каждый конкретный момент. Весь процесс повторяется необходимое число раз, и с каждым разом отношение сигнала к шуму в накопительном устройстве увеличивается. Эффективность метода усреднения можно оценить, обратившись к фиг. 29. На фиг. 29, А изображен спектр, полученный Клейном и Бартоном [4] для водного раствора, содержащего небольшое количество ионов марганца. Такой спектр, как уже отмечалось, часто наблюдается в биохимических исследованиях. После одного прохождения никаких линий поглощения вообще не видно, тогда как после 5000 прохождений выявляется совершенно четкий сигнал, а шум почти полностью исчезает. На фиг. 29, Б показан сигнал ЭПР свободного радикала, выделенный из шума тем же способом. Здесь можно ясно видеть последовательное увеличение отношения сигнала к шуму и даже проследить его количествен­ную зависимость от ]/п.

Использование накопителей для усреднения и интегрирования таких статических сигналов оказалось настолько эффективным, что в настоящее время они приняты почти повсеместно в качестве необходимого дополнения к любому высокочувствительному ЭПР - спектрометру.

Электронный Парамагнитный резонанс в биологии

Направление будущих исследовании

Описанные в этой главе исследования находятся еще на самой начальной, предварительной стадии, и о многих возможностях использования в биологии таких методов, как ДЭЯР и спин - метка, мы еще, конечно, …

Метод спин-меток

В разд. 7.1 уже упоминалось о том, что метод спин-меток был специально разработан для исследований биологических молекул. Этим он отличается от всех других методов ЭПР-спектроскопии, которые были разработаны ранее и …

Применение метода ДЭЯР

Вопрос о том, каким образом принцгп и. технику метода ДЭЯР,', описанные в разд. 3.8 и. 3.9, можно приложить к исследованию биохимических систем, лучше всего, по-видимому, рассмотреть на примере экспериментов с …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.