Электронный Парамагнитный резонанс в биологии

Усреднение быстро изменяющихся спектров

Использование описанных в предыдущем разделе методов усреднения для выделения статических сигналов крайне полезно, но по сути дела не вносит ничего принципиально нового в обсуж­давшиеся ранее методы обнаружения сигналов. Чувствительность прибора вполне удается повысить в достаточной степени путем увеличения постоянной времени и, следовательно, сужения полосы пропускания системы детектирования. Большую постоянную времени можно получить, суммируя результаты большого числа быстрых прохождений. При этом, однако, по-прежнему надо контролировать стабильности микроволновой частоты и магнит­ного поля. В принципе одной и той же чувствительности для статического сигнала можно достигнуть, либо производя 100 после­довательных прохождений длительностью 10 с каждое и подавая их в накопитель, либо проходя спектр только один раз, но так, чтобы длительность этого прохождения составила 1000 с, и исполь­зуя при этом во всех детекторных схемах очень узкие полосы пропускания (большие постоянные времени). Первый метод легче осуществим практически, и именно этим он ценен как средство повышения чувствительности спектрометров при изучении ста­тических сигналов.

При использовании методов усреднения для исследовании быстро меняющихся спектров ЭПР мы сталкиваемся с качественно иной ситуацией. Здесь эти методы дают возможность получить результаты, принципиально не достижимые каким-либо иным способом. Рассмотрев систему спектрометра, не содержащую усредняющего устройства, можно сразу увидеть, что существует коренное противоречение между требованиями высокой чувстви­тельности и требованиями быстрой записи переменной интен­сивности сигнала: высокой чувствительности можно достигнуть только при использовании очень узкой полосы пропускания в схемах детектирования, тогда как усиление и воспроизведение быстро изменяющихся сигналов требуют диаметрально противо­положного, а именно широких полос пропускания для соответ­ствующих схем усиления и записи. Поэтому на первый взгляд кажется, что запись быстро меняющихся спектров ЭПР возможна только в том случае, если она*не требует узкой полосы пропуска­ния, т. е. если сигнал достаточно интенсивен. Это утверждение можно рассматривать как один из вариантов основной теоремы теории информации, которую в данном контексте можно сформу­лировать следующим образом: «чувствительность любой записы­вающей системы снижается по мере уменьшения времени записи информации».

Рассмотрим в качестве примера фиг. 30, А, где показан рост и падение интенсивности сигнала ЭПР по мере протекания неко­торой биохимической реакции. Сначала, пока имеет место взаимо­действие компонент реакции, сигнал растет, а затем по мере развития вторичных процессов начинает падать. Для того чтобы следить за изменением такого сигнала непосредственно на ЭПР-спектрометре (это можно сделать лишь в том случае, если поглощение достаточно велико), нужно поддерживать маг­нитное поле и микроволновую частоту на уровне, соответствующем центру линии поглощения, и регистрировать изменения выход­ного напряжения спектрометра во времени. Полученную кривую (фиг. 30, А) можно наблюдать на экране осциллографа или какого - либо другого высокочастотного записывающего устройства, где по вертикальной оси представлена мгновенная интенсивность резонансного поглощения, а по горизонтальной — время. Однако такая прямая регистрация изменения сигнала во времени воз­можна лишь при использовании широкополосных схем усиления

Синхронизатор лампы или друго­го источника возбуждения с временной разверткой

Выход к

Накопительным каналам

■|ЭПР-спсктрометр J

Б

Фиг. 30. Интегрирование быстро изменяющихся спектров. А ~ типичная картина изменения спектра ЭПР во времени в процессе биохимической реакции; Б — блок-схема, иллюстрирующая разделение шкалы времени на последова­тельные малые интервалы, соответствующие каналам накопительного устройства.

II регистрации, а большая ширина полосы неизбежно приведет к возникновению больших дополнительных шумов. Таким образом, мри исследовании ферментов или каких-либо других реагентов, концентрации которых очень невелики, сигнал будет скрыт под беспорядочными шумами системы усиления и полученную запись практически невозможно будет идентифицировать.

Если, однако, исследуемый быстропротекающий процесс мож^ но повторить, то его запись может быть осуществлена точно так же,

Как и запись статического сигнала, с той лишь разницей, что в регистрирующей системе ось магнитного поля заменяется осью времени. Будем считать для простоты, что кривая на фиг ВО, А описывает возникновение и распад продуктов определенной фото­химической реакции. Ось времени (так|жб как в предыдущем слу­чае ось поля) можно разделить на интервалы я результат измере­ния в каждом интервале подавать в соответствующий накопи­тельный канал. В этом случае синхронизуются шкала времени и перебор накопительных каналов, и каждый цикл прохождения инициируется вспышкой, определяющей начало отсчета для каж­дого следующего прохождения. Таким образом, сигнал, получае­мый в каждый данный момент времени после начальной вспышки, может постепенно суммироваться внутри данного накопитель­ного канала и кинетическую кривую можно выделить из шума (так как сигнал будет по-прежнему пропорционален числу про­хождений, а шум — корню квадратному из числа прохождений). Следовательно, принцип, используемый для усиления статиче­ских сигналов, можно с успехом применить и для усиления быстро изменяющихся сигналов (фиг. 30, Б).

Можно, конечно, одновременно записывать и изменение быстро меняющегося сигнала во времени, и изменение его в зависимости от напряженности магнитного поля. На фиг. 31 представлена в трех измерениях вся информация, которую можно получить относительно быстро меняющегося спектра ЭПР (для большей. наглядности приведен спектр с триплетным расщеплением, но таким же образом можно представить и другие виды спектров).

Зависимость сигнала от величины магнитного поля в различ­ные моменты времени описывают кривые типа кривой PQ. Но про­следить детально сверхтонкую структуру спектра по таким кривым трудно, так как в процессе записи он будет меняться. В этих случаях используют описанный выше метод и регистрируют изменение сигнала во времени для различных значений магнит­ного поля (кривые АВ, CD и т. д.). В результате на основании нескольких серий прохождений можно воссоздать всю трехмерную картину и таким образом установить, как изменяются во времени даже весьма сложные сигналы.

Сейчас разрабатываются конструкции накопителей, позволяю­щих одновременно интегрировать изменения и по времени, и по полю, так что спектр, наблюдаемый в любой момент времени, может быть немедленно получен на выходе накопителя.