EPR

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図(1):EPR分光計概略

図(1):EPR分光計概略


電子常磁性共鳴(EPR)または電子スピン共鳴(ESR)は、常磁性種の電子構造に関する
最も有益な手法の1つです。
EPR 分光法は、スピン密度が強く局在し、環境と相互作用する(生体)化学システムの
調査に特に適しています。
これらのシステムについて、EPR は構造とダイナミクスに関する情報を提供し、
化学、物理学、生物学で広く使用されています。

EPR 測定は通常、連続波(cw)モードまたはパルスモードで行われます。
cwEPR 分光計(図(1)を参照)は、約 3500 G(0.35 T)の磁場を印加し、
9-10 GHz 領域(Xバンド)でマイクロ波の吸収を測定します。
通常、マイクロ波は固定周波数に保たれ、磁場は掃引されます (0 mT〜700 mT の Xバンドの場合)。
図(2)の左パネルは、マイクロ波検出器で検出された典型的な信号を示しています。
100 kHz の一般的な周波数で小さな追加の振動磁場を適用すると、
ロックイン検出を使用して感度が向上し、位相情報を抽出する可能性が追加されます。
結果の信号は、図(2)の右パネルに示されているように、吸収の一次導関数です。

図(2):位相敏感検出の概略図

図(2):位相敏感検出の概略図



測定戦略

短い取得時間で高解像度を実現するには、変調周波数、変調振幅、ロックインフィルタ帯域幅の
3つのパラメータに関するトレードオフを行う必要があります。

まず、スペクトル分解能は、信号対雑音比(SNR)とスペクトルの歪みに依存します。
これらは両方とも、磁場変調の振幅の影響を受けます。
大きな変調振幅は、信号強度の増加により SNR を増加させます。
しかし、大きな振幅では、検出された EPR 信号は広がり、歪んでしまいます。
そのため、近いラインを解決できないため、解像度が低下します。
高い変調周波数が使用され、スピン緩和が遅すぎて磁場の速い変化に追従できない場合、
同様の歪み効果が適用されます。

これに加えて、SNR とスペクトル分解能も変調周波数に直接依存します。
これはロックイン検出の結果であり、 詳細は、
https://www.zhinst.com/japan/resources/principles-lock-detection で説明されています。
変調周波数が高いと、SNR が高くなりますが、前述のようにスペクトルの歪みも発生します。

そして最後に、ロックイン検出で使用されるフィルタ帯域幅も SNR に影響しますが、
取得時間にも影響します。フィルタ帯域幅が狭いと高い SNR が発生しますが、フィルタ帯域幅が
狭いと整定時間が遅くなるため、磁場の掃引の各ステップでの取得時間が遅くなります。
詳細については、https://www.zhinst.com/applications/principles-of-lock-in-detection
を再度参照してください。
高 SNR を実現する別の方法は、平均化(SNR は平均化時間に比例することを忘れないでください)、
および高速の整定時間と高速の取得時間で大きなフィルタ帯域幅を使用することです。
安定した実験室環境と安定した分光器では、大きなフィルタ帯域幅で多くの信号を平均化し、
平均値が少なくフィルタ帯域幅が小さいスペクトルを取得することは同等です。
実際には、考慮する必要がある信号ドリフトが常にあります。
これには、フィルタ帯域幅と平均化時間の適切なトレードオフを見つける必要があります。


次の表は、パラメータと、解像度と取得時間への影響をまとめたものです。

  SNR スペクトル歪み 時定数 取得時間
変調振幅小 低い 小さい × ×
変調振幅が大きい 高い × ×
変調周波数が低い 低い 小さい × ×
変調周波数が高い 高い × ×
フィルタ帯域幅が低い 高い × スロー
フィルタ帯域幅高 低い × 小さい 速い

× = 効果なし


理想的な cwEPR 測定では、変調の振幅と周波数、およびフィルタの帯域幅と平均回数を
慎重に調整する必要があります。
この重要なチューニングには、EPR ユーザはこれらのパラメータを完全に制御し、
時間および周波数領域で信号を分析して SNR およびスペクトル分解能を判断するツールを
提供する機器が必要です。



Zurich Instrumentsで測定するメリット

理想的な cwEPR 測定の要件を考慮すると、Zurich Instruments MFLI 500 kHz ロックインアンプは
cwEPR に最適です。

  • 時定数が速く、入力電圧ノイズが低いため、非常に高速な取得時間を実現できます。
  • 任意のブラウザからアクセスできる使いやすい Web インターフェイスを使用して、
    迅速に測定を完全に制御し、迅速に取得します。
  • LabOne Plotter と Spectrum-analyzer を使用して、関連するすべての時間領域と
    周波数領域の信号を便利に観察および記録します。
  • セットアップを簡素化し、高レベルの統合をお楽しみください。
    測定値を記録するために追加のデジタイザーカードは必要ありません。
    MFLI には、USB または 1 GbE 接続を介した高速デジタルデータ転送が付属しています。
  • 機器の補助出力を使用して、磁場またはマイクロ波を掃引できます。
    多数の API(LabVIEW、MATLAB、.NET、C、および Python)とともに、
    MFLI を既存の cwEPR 分光器セットアップに簡単に統合できます。

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