Электронный Парамагнитный резонанс в биологии

Простейшие системы спектрометров

Из всего сказанного в гл. 1 должно было стать ясным, что для наблюдения спектра ЭПР нужны следующие четыре компо­нента. Во-первых, необходим сильный магнит, создающий одно­родное и стабильное магнитное поле. Если исследования ведутся на длине волны 3,2 см, то напряженность поля должна составлять 3000—4000 Э; при длине волны 8 мм и менее напряженность необ­ходимо повысить до 13 000 Э и более. Во-вторых, необходим под­ходящий источник микроволнового излучения, длину волны (или частоту) которого обычно выбирают в диапазоне, исполь­зуемом в стандартных радиолокаторах. В-третьих, нужна спе­циальная «поглощающая ячейка», которая концентрировала бы падающую энергию на образце и позволяла обнаруживать ее поглощение образцом. В микроволновой спектроскопии эта ячей­ка обычно имеет вид полого резонатора, расположенного между полюсами электромагнита. И наконец, в-четвертых, требуется электронная схема, позволяющая непрерывно наблюдать или - записывать спектры поглощения. Один из вариантов соединения всех этих компонентов в простейшем спектрометре показан на фот. 15. Источником микроволнового излучения служит, как правило, клистрон, хотя в последнее время начали применять полупроводниковые источники, в которых колебания генери­руются полупроводниковыми схемами, работающими па низких частотах. Микроволновое излучение подается по волноводу в по­лость резонатора, где оно максимально концентрируется, так что на образец подается достаточно мощное осциллирующее микро­волновое магнитное поле. Подробное описание полых резонаторов и их применения в ЭПР-спектрометрах можно найти в книге Уилмхэрста [1]. В изображенном на фиг. 15 простейшем спектро­метре с проходным резонатором определенная часть мощности выводится из полости резонатора наружу и подается на кристал­лический детектор, расположенный в дальнем конце микровол­нового тракта. Величина тока, текущего через детектор, служит, таким образом, мерой мощности излучения внутри резонатора в любой момент времени. Если внутри резонатора имеет место поглощение, ток детектора соответственно уменьшается. Внеш­нее магнитное поле, как правило, создается электромагнитом,

Так как обычно для получения резонанса пользуются изменением магнитного поля, а не частоты.

В принципе условия, необходимые для резонанса, можно обес­печить любым из двух способов: либо сохраняя постоянным маг­нитное поле и изменяя микроволновую частоту, либо сохраняя частоту и изменяя магнитное поле. В подавляющем больший'' :ве случаев применяется последний метод, так как многие микровол­новые элементы чувствительны к изменению частоты и микровол­новую систему можно пра­вильно настроить и отре - Q П Э 1 гулировать только для ка­кой либо одной частоты. После того как настройка произведена, рекомендует­ся трогать систему как можно реже. Микровол­новые генераторы также имеют до некоторой сте­пени ограниченную зону частот. По этим двум при­чинам работают, как пра вило, с постоянной микро­волновой частотой, измеЧ| няя значение напряженно­сти магнитного поля,

В спектрометре просмей шего типа поле можно из­менять путем бесконечно малых приращений и в точках, соответствующих

Каждому приращению, фиксировать ток детектора. Но такой метод не только требует много времени, но и обладает очень низ­кой чувствительностью. Поэтому, как правило, прибегают к моду ■ чяционным методам, основанным на использовании колеблюще­гося магнитного поля, многократно проходящего через точку резонанса; в результате на детекторе создаются низко - и высоко­частотные сигналы, которые можно усилить и наблюдать на эк­ране осциллографа. Простейшая форма такой модуляции заклю тается в том, что яа магнитное поле накладывают низкочастотную развертку, создаваемую модуляционными катушками (7 на фиг. 15), й подают развертку с той жснд частотой на временную раз­вертку осциллографа, одновременно подавая на вертикально отклоняющие пластины усиленный сигнал с детектора. Таким образом, поглощение, имеющее место при прохождении поля через резонансное значение, можно наблюдать прямо на экране осциллографа. Спектрометр такого простого типа применялся
в течение ряда лет в ранних исследованиях по ЭПР, и все его основные черты сохранены в современных спектрометрах. Однако, как станет ясно из следующего раздела, он в принципе ие может обладать высокой чувствительностью из-за больших избыточных шумов, возникающих в кристаллических детекторах при таких низких звуковых частотах.