Импульсный электронный парамагнитный резонанс - Pulsed electron paramagnetic resonance
Импульсный электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) - это метод электронного парамагнитного резонанса , который включает выравнивание суммарного вектора намагниченности электронных спинов в постоянном магнитном поле . Это выравнивание нарушается приложением короткого осциллирующего поля, обычно микроволнового импульса. Затем можно измерить излучаемый микроволновый сигнал, который создается намагничиванием образца. Преобразование Фурье микроволнового сигнала дает спектр ЭПР в частотной области. Благодаря большому разнообразию импульсных последовательностей можно получить обширные знания о структурных и динамических свойствах парамагнитных соединений. Импульсные методы ЭПР, такие как модуляция огибающей электронного спинового эха (ESEEM) или импульсный электронный ядерный двойной резонанс (ENDOR), могут выявить взаимодействия электронного спина с окружающими его ядерными спинами .
Сфера
Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) или электронный спиновый резонанс (ЭПР) - это спектроскопический метод, широко используемый в биологии, химии, медицине и физике для изучения систем с одним или несколькими неспаренными электронами. Из-за особой связи между магнитными параметрами, электронной волновой функцией и конфигурацией окружающих ядер с ненулевым спином, EPR и ENDOR предоставляют информацию о структуре, динамике и пространственном распределении парамагнитных частиц. Однако эти методы имеют ограниченное спектральное и временное разрешение при использовании с традиционными методами непрерывной волны. Это разрешение можно улучшить в импульсном ЭПР, исследуя взаимодействия отдельно друг от друга с помощью импульсных последовательностей.
Исторический обзор
Р. Дж. Блюм сообщил о первом электронном спиновом эхо в 1958 году, которое появилось из раствора натрия в аммиаке при его температуре кипения -33,8 ° C. Использовалось магнитное поле 0,62 мТл, требующее частоты 17,4 МГц. О первых микроволновых электронных спиновых эхах сообщили в том же году Гордон и Бауэрс с использованием возбуждения примесей в кремнии на частоте 23 ГГц .
Большая часть новаторских ранних импульсных ЭПР была проведена группой WB Mims в Bell Labs в течение 1960-х годов. В первое десятилетие в этой области работало лишь небольшое количество групп из-за дорогостоящего оборудования, отсутствия подходящих микроволновых компонентов и медленной цифровой электроники. Первое наблюдение модуляции огибающей электронного спинового эха (ESEEM) было сделано в 1961 году Мимсом, Нассау и МакГи. Импульсный электронный ядерный двойной резонанс (ENDOR) был изобретен Мимсом в 1965 году. В этом эксперименте импульсные переходы ЯМР обнаруживаются с помощью импульсного ЭПР. ESEEM и импульсный ENDOR по-прежнему важны для изучения ядерных спинов, связанных со спинами электронов.
В 1980-х годах появление первых промышленных импульсных ЭПР- и ENDOR-спектрометров в диапазоне частот X- диапазона привело к быстрому росту этой области. В 1990-х годах, параллельно с грядущим ЭПР в сильном поле, импульсный ЭПР и ЭПР стал новым быстроразвивающимся инструментом магнитно-резонансной спектроскопии, и на рынке появился первый коммерческий импульсный ЭПР и ЭПР-спектрометр на частотах W-диапазона .
Принципы
Основной принцип импульсного ЭПР и ЯМР аналогичен. Различия могут быть обнаружены в относительном размере магнитных взаимодействий и в скоростях релаксации, которые на порядки величины больше (быстрее) в ЭПР, чем в ЯМР. Полное описание теории дается в рамках квантово-механического формализма, но поскольку намагниченность измеряется как объемное свойство, более интуитивная картина может быть получена с помощью классического описания. Для лучшего понимания концепции импульсного ЭПР рассмотрим влияние на вектор намагниченности в лабораторной системе координат, а также во вращающейся системе координат . Как показано на анимации ниже, в лабораторном кадре предполагается, что статическое магнитное поле B 0 параллельно оси z, а микроволновое поле B 1 параллельно оси x. Когда спин электрона помещается в магнитное поле, он испытывает крутящий момент, который заставляет его магнитный момент прецессировать вокруг магнитного поля. Частота прецессии называются ларморовые частоты со | L .
где γ - гиромагнитное отношение, а B 0 - магнитное поле. Спины электронов характеризуются двумя квантово-механическими состояниями, одним параллельным и одним антипараллельным B 0 . Из-за более низкой энергии параллельного состояния больше электронных спинов может быть найдено в этом состоянии согласно распределению Больцмана . Эта несбалансированная совокупность приводит к чистой намагниченности, которая представляет собой векторную сумму всех магнитных моментов в образце, параллельных оси z и магнитному полю. Чтобы лучше понять влияние микроволнового поля B 1, легче перейти к вращающейся рамке.
В экспериментах по ЭПР обычно используется микроволновый резонатор, предназначенный для создания линейно поляризованного микроволнового поля B 1 , перпендикулярного гораздо более сильному приложенному магнитному полю B 0 . Вращающаяся рама прикреплена к вращающимся компонентам B 1 . Сначала предположим, что он находится в резонансе с прецессирующим вектором намагниченности M 0 .
Следовательно, компонент B 1 окажется неподвижным. В этой системе отсчета прецессирующие компоненты намагниченности также оказываются стационарными, что приводит к исчезновению B 0 , и нам нужно только рассмотреть B 1 и M 0 . Вектор M 0 находится под влиянием стационарного поля B 1 , что приводит к другой прецессии M 0 , на этот раз вокруг B 1 на частоте ω 1 .
Эта угловая частота ω 1 также называется частотой Раби . Предполагая, что B 1 параллелен оси x, вектор намагниченности будет вращаться вокруг оси + x в плоскости zy, пока используются микроволны. Угол, на который поворачивается M 0 , называется углом при вершине α и определяется как:
Здесь t p - длительность, в течение которой применяется B 1 , также называемая длительностью импульса. Импульсы помечаются вращением M 0, которое они вызывают, и направлением, из которого они исходят, поскольку микроволны могут быть сдвинуты по фазе от оси x к оси y. Например, импульс + y π / 2 означает, что поле B 1 , которое было сдвинуто по фазе на 90 градусов из + x в направление + y, повернуло M 0 на угол острия π / 2, следовательно намагниченность будет располагаться вдоль оси –x. Это означает, что конечное положение вектора M 0 намагниченности зависит от длины, величины и направления микроволнового импульса B 1 . Чтобы понять, как образец излучает микроволны после интенсивного микроволнового импульса, нам нужно вернуться к лабораторной раме. Во вращающейся рамке и при резонансе намагниченность после импульса казалась стационарной вдоль оси x или y. В лабораторной системе координат это становится вращающейся намагниченностью в плоскости xy с ларморовской частотой. Это вращение генерирует сигнал, который максимизируется, если вектор намагниченности находится точно в плоскости xy. Этот микроволновый сигнал, генерируемый вращающимся вектором намагниченности, называется затуханием свободной индукции (FID).
Другое предположение, которое мы сделали, заключалось в точном условии резонанса, при котором ларморовская частота равна частоте микроволн. В действительности спектры ЭПР имеют много разных частот, и не все из них могут точно находиться в резонансе, поэтому нам необходимо учитывать нерезонансные эффекты. Эффекты вне резонанса приводят к трем основным последствиям. Первое следствие можно лучше понять во вращающейся раме. Импульс π / 2 оставляет намагниченность в плоскости xy, но поскольку микроволновое поле (и, следовательно, вращающаяся рамка) не имеет той же частоты, что и вектор прецессирующей намагниченности, вектор намагниченности вращается в плоскости xy либо быстрее, либо быстрее. медленнее микроволнового магнитного поля B 1 . Скорость вращения определяется разностью частот Δω.
Если Δω равно 0, то микроволновое поле вращается так же быстро, как вектор намагниченности, и оба кажутся стационарными по отношению друг к другу. Если Δω> 0, то намагниченность вращается быстрее, чем составляющая микроволнового поля при движении против часовой стрелки, а если Δω <0, то намагниченность медленнее и вращается по часовой стрелке. Это означает, что отдельные частотные компоненты спектра ЭПР будут проявляться как компоненты намагниченности, вращающиеся в плоскости xy с частотой вращения Δω. Второе следствие проявляется в лабораторных условиях. Здесь B 1 по-разному отклоняет намагниченность от оси z, поскольку B 0 не исчезает, когда он не находится в резонансе, из-за прецессии вектора намагниченности в Δω. Это означает, что намагниченность теперь изменяется эффективным магнитным полем B eff , которое возникает из векторной суммы B 1 и B 0 . Затем намагниченность изменяется вокруг B eff с более высокой эффективной скоростью ω eff .
Это приводит непосредственно к третьему следствию, что намагниченность не может быть эффективно наклонена в плоскость xy, потому что B eff не лежит в плоскости xy, как это делает B 1 . Движение намагниченности теперь определяет конус. Это означает, что по мере увеличения Δω намагниченность менее эффективно наклоняется в плоскость xy, и сигнал FID уменьшается. В широких спектрах ЭПР, где Δω> ω 1, невозможно направить всю намагниченность в плоскость xy для генерации сильного сигнала FID. Вот почему важно максимизировать ω 1 или минимизировать длительность импульса π / 2 для широких сигналов ЭПР.
Пока намагниченность была повернута в плоскость xy и осталась там с той же величиной. Однако в действительности спины электронов взаимодействуют со своим окружением, и намагниченность в плоскости xy будет уменьшаться и в конечном итоге вернется к выравниванию с осью z. Этот процесс релаксации описывается временем спин-решеточной релаксации T 1 , которое представляет собой характерное время, необходимое намагниченности для возврата к оси z, и временем спин-спиновой релаксации T 2 , которое описывает время исчезновения намагниченность в плоскости xy. Спин-решеточная релаксация является результатом побуждения системы вернуться к тепловому равновесию после того, как она была возмущена импульсом B 1 . Возврат намагниченности, параллельной B 0 , достигается за счет взаимодействия с окружающей средой, то есть спин-решеточной релаксации. Соответствующее время релаксации необходимо учитывать при извлечении сигнала из шума, когда эксперимент необходимо повторить несколько раз как можно быстрее. Чтобы повторить эксперимент, нужно подождать, пока намагниченность по оси z не восстановится, потому что, если нет намагниченности в направлении z, то не будет ничего, что могло бы наклониться в плоскость xy для создания значимого сигнала.
Время спин-спиновой релаксации, также называемое временем поперечной релаксации, связано с однородным и неоднородным уширением. Неоднородное уширение является результатом того факта, что разные спины испытывают локальные неоднородности магнитного поля (различное окружение), создавая большое количество спиновых пакетов, характеризующихся распределением Δω. По мере прецессии вектора суммарной намагниченности некоторые спиновые пакеты замедляются из-за более низких полей, а другие ускоряются из-за более высоких полей, что приводит к разветвлению вектора намагниченности, что приводит к затуханию сигнала ЭПР. Остальные пакеты вносят вклад в спад поперечной намагниченности из-за однородного уширения. В этом процессе все вращения в одном спиновом пакете испытывают одно и то же магнитное поле и взаимодействуют друг с другом, что может приводить к взаимным и случайным спин-флип-флопам. Эти колебания способствуют более быстрому разветвлению вектора намагниченности.
Вся информация о частотном спектре закодирована в движении поперечной намагниченности. Частотный спектр восстанавливается с использованием временного поведения поперечной намагниченности, составленной из компонентов по осям y и x. Удобно, что эти два компонента можно рассматривать как действительные и мнимые компоненты комплексной величины и использовать теорию Фурье для преобразования измеренного сигнала во временной области в представление частотной области. Это возможно, поскольку регистрируются как абсорбционный (действительный), так и дисперсионный (мнимый) сигналы.
Сигнал FID затухает, и для очень широких спектров ЭПР это затухание довольно быстрое из-за неоднородного уширения. Чтобы получить больше информации, можно восстановить исчезнувший сигнал с помощью другого микроволнового импульса, чтобы создать эхо Хана . После подачи импульса π / 2 (90 °) вектор намагниченности наклоняется в плоскость xy, создавая сигнал FID. Различные частоты в спектре ЭПР (неоднородное уширение) заставляют этот сигнал «расширяться», что означает, что более медленные спин-пакеты следуют за более быстрыми. По прошествии определенного времени t к системе прикладывается π-импульс (180 °), инвертирующий намагниченность, и быстрые спин-пакеты затем догоняют медленные спин-пакеты. Тогда в момент времени 2t происходит полная перефокусировка сигнала . Точное эхо, вызванное вторым микроволновым импульсом, может устранить все эффекты неоднородного уширения. После того, как все спин-пакеты сгруппируются, они снова сбрасываются по фазе, как FID. Другими словами, спиновое эхо - это обратный FID, за которым следует нормальный FID, который может быть преобразован Фурье для получения спектра ЭПР. Чем больше становится время между импульсами, тем слабее будет эхо из-за спиновой релаксации. Когда эта релаксация приводит к экспоненциальному спаду высоты эхо-сигнала, константа затухания представляет собой время фазовой памяти T M , которое может иметь много вкладов, таких как поперечная релаксация, спектральная, спиновая и мгновенная диффузия. Изменение времени между импульсами приводит к прямому измерению T M, как показано на анимации затухания спинового эха ниже.
Приложения
ESEEM и импульсный ENDOR - широко используемые эхо- эксперименты, в которых можно изучать и контролировать взаимодействие электронных спинов с ядрами в их окружении.
В настоящее время популярными импульсными экспериментами по ЭПР является двойной электронно-электронный резонанс (DEER), который также известен как импульсный двойной электрон-электронный резонанс (PELDOR). В этом эксперименте две частоты управляют двумя спинами, чтобы исследовать их связь. Расстояние между спинами можно затем определить по их силе сцепления. Эта информация используется для выяснения структуры больших биомолекул. PELDOR-спектроскопия - это универсальный инструмент для структурных исследований белков даже в клеточной среде.