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相關(guān)產(chǎn)品：MFLI 

背景介紹

電子順磁共振 (EPR) 或電子自旋共振 (ESR) 是針對(duì)順磁性物質(zhì)提供豐富電子結(jié)構(gòu)信息的技術(shù)之一。EPR 光譜特別適用于研究具有強(qiáng)烈局域化自旋密度的（生物）化學(xué)系統(tǒng)及其與環(huán)境的相互作用。對(duì)于這些系統(tǒng)，EPR 可提供有關(guān)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)的信息，被廣泛用于化學(xué)、物理和生物學(xué)領(lǐng)域。與核自旋共振(NMR)相比其基本原理都是利用粒子的自旋在磁場(chǎng)中產(chǎn)生分裂效果的塞曼效應(yīng)，不同點(diǎn)在于核自旋共振是利用核子，而電子順磁共振是利用電子，由于電子的磁旋比遠(yuǎn)大于核子所以電子順磁共振的靈敏度更高，但是需要共振的微波頻率也大于核磁共振。

電子順磁共振一般分為兩種方式，一種是固定微波頻率采用在恒定磁場(chǎng)中加入一個(gè)交變磁場(chǎng)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)共振效果，一般來(lái)說(shuō)連續(xù)(CW)電子順磁共振儀采用這種方法。另一種是利用固定磁場(chǎng)改變微波頻率的脈沖式電子順磁共振儀，兩者比較起來(lái)，脈沖式電子順磁共振儀具有更高的微波頻率帶寬意味著更低的靈敏度，本文的討論范圍為連續(xù)電子順磁共振儀。

實(shí)驗(yàn)裝置

圖1.連續(xù)式順磁脈沖共振儀實(shí)驗(yàn)裝置

這是利用蘇黎世鎖相MFLI搭建的連續(xù)式順磁脈沖共振儀，分為產(chǎn)生磁場(chǎng)部分，微波以及探測(cè)部分，數(shù)據(jù)處理部分。磁場(chǎng)部分有產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)的電磁鐵和交變磁場(chǎng)的亥姆赫茲線圈，微波部分有產(chǎn)生Ghz頻段的微波源和檢波器用來(lái)提取微波調(diào)幅信號(hào)的邊帶信號(hào)。MFLI在這里起到調(diào)制磁場(chǎng)，數(shù)據(jù)采集卡，鎖相放大器二次信號(hào)提取的作用。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程方面， 施加在樣品上的微波場(chǎng)由共振器建立。 對(duì)于共振器類(lèi)型是諧振腔的譜儀而言， 其樣品管插入諧振腔中。 EPR實(shí)驗(yàn)前諧振腔被調(diào)節(jié)至臨界耦合， 這意味著入射功率被諧振腔完全吸收。 當(dāng)樣品發(fā)生順磁共振時(shí)， 樣品對(duì)微波功率的額外吸收導(dǎo)致諧振腔失諧以及功率反射。 通過(guò)記錄諧振腔反射信號(hào)的微波功率作為磁場(chǎng)的函數(shù)， 產(chǎn)生連續(xù)波EPR譜線，被微波檢波器提取出譜線幅度變化的包絡(luò)信號(hào)，然后被MFLI鎖相放大器二次探測(cè)提取出連續(xù)波EPR譜線的一階導(dǎo)數(shù)。

圖2.連續(xù)順磁共振信號(hào)譜線

上圖為電子順磁信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程，在微波反射信號(hào)里(左圖)我們加入一個(gè)交變的調(diào)制磁場(chǎng)Bm，對(duì)應(yīng)的連續(xù)順磁共振信號(hào)譜線的幅度也產(chǎn)生相一致的變化頻率，這就達(dá)成了我們鎖相探測(cè)需要的一個(gè)常用條件，交變信號(hào)，一般來(lái)說(shuō)頻率越高信噪比越低，但是由于電子順磁自旋有一定的豫馳效應(yīng)，頻率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致物理系統(tǒng)追蹤不到微波信號(hào)的頻率變化造成失真，所以我們要選擇一個(gè)合適的調(diào)制頻率。右圖為我們?cè)阪i相中檢測(cè)到的順磁共振信號(hào)，有趣的是不同于一般的鎖相檢測(cè)這里檢測(cè)到的信號(hào)是左圖的檢波器輸出的幅值信號(hào)的變化率也就是一階導(dǎo)數(shù)，而一般的鎖相檢測(cè)為信號(hào)的幅度。原因在于，我們利用了電磁鐵產(chǎn)生了恒定的磁場(chǎng)部分，這對(duì)于鎖相來(lái)說(shuō)意味著直流信號(hào)，鎖相是提取參考信號(hào)頻率附近處的信號(hào)，所以直流信號(hào)會(huì)被鎖相濾除掉，而對(duì)于我們的輸出信號(hào)一階導(dǎo)數(shù)是與調(diào)制磁場(chǎng)Bm同頻的(三角函數(shù)的導(dǎo)數(shù)頻率與原函數(shù)一致)，調(diào)制磁場(chǎng)的頻率即是我們鎖相放大器的參考頻率，所以我們提取到的是順磁共振譜的一階導(dǎo)數(shù)的大小。

一階導(dǎo)數(shù)的線型分為洛倫茲型和高斯型，對(duì)于不同環(huán)境線型不同，我們可以利用右邊的信號(hào)來(lái)判斷樣品所處的環(huán)境。

鎖相測(cè)量策略

為了在較短的采集時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高分辨率，需要基于以下三個(gè)參數(shù)進(jìn)行平衡：調(diào)制頻率、調(diào)制幅度和鎖相濾波器帶寬。

首先，頻譜分辨率取決于信噪比 (SNR) 和頻譜失真，而這兩者受到磁場(chǎng)調(diào)制幅度的影響。調(diào)制幅度較大時(shí)，隨著信號(hào)強(qiáng)度的增加，信噪比也會(huì)增加。但是在較大的調(diào)制幅度下，所檢測(cè)到的 EPR 信號(hào)會(huì)變寬失真，導(dǎo)致無(wú)法分辨出相鄰的譜線，從而導(dǎo)致頻率分辨率降低。當(dāng)使用較高的調(diào)制頻率，而自旋弛豫因過(guò)于緩慢而無(wú)法跟上磁場(chǎng)的快速變化時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似的失真效應(yīng)。

此外，信噪比和頻譜分辨率也直接取決于調(diào)制頻率。這是使用鎖相檢測(cè)技術(shù)的結(jié)果，詳見(jiàn)鎖相檢測(cè)原理白皮書(shū)。較高的調(diào)制頻率可實(shí)現(xiàn)高信噪比，但也會(huì)導(dǎo)致上述頻譜失真。

最后，用于鎖相檢測(cè)的濾波器帶寬也會(huì)影響信噪比和采集時(shí)間。較低的濾波器帶寬雖然可實(shí)現(xiàn)高信噪比，但也會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)掃描中的每個(gè)步驟的采集時(shí)間變慢，這是因?yàn)檩^低的濾波器帶寬所需的穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)。另一種實(shí)現(xiàn)高信噪比的方式是采取信號(hào)平均的方法（記住，信噪比與信號(hào)平均時(shí)間成正比）并且采用穩(wěn)定時(shí)間及采集時(shí)間短的更大帶寬的濾波器。在穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中使用穩(wěn)定的頻譜儀時(shí)，濾波器帶寬較大的信號(hào)多次平均和濾波器帶寬較小的信號(hào)少量平均在效果上相當(dāng)。當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，必須考慮信號(hào)隨時(shí)間漂移。這就需要在濾波器帶寬和信號(hào)平均時(shí)間之間找到適當(dāng)平衡。

下表總結(jié)了相關(guān)參數(shù)及其對(duì)分辨率和采集時(shí)間的影響。

圖三.相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)照表

調(diào)制幅度對(duì)于鎖相而言，就是改變MFLI的輸出信號(hào)幅度，調(diào)制頻率是改變輸出信號(hào)的頻率，平均和低通濾波器帶寬都可以利用MFLI鎖相放大器的控制軟件直接修改。

相關(guān)產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

圖4.MFLI設(shè)備

• 直流到 500 kHz / 5 MHz 的 16 位電流和電壓輸入

• 超低且平坦的輸入電壓噪聲：< 2.5 nV/√Hz (> 1kHz)

• 短的時(shí)間常數(shù)：337 ns 至 83 s

• 高動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備：120 dB

• API 編程支持 Python、MATLAB、LabVIEW、C 語(yǔ)言、.NET

選擇蘇黎世的優(yōu)勢(shì)

• 考慮到理想測(cè)量 cwEPR 的要求，蘇黎世儀器的 MFLI 500 kHz 鎖相放大器是用于 cwEPR 測(cè)量的合適之選：

• 該儀器可選擇小的時(shí)間常數(shù)，并且其較低的輸入電壓噪聲為選擇較短的采集時(shí)間提供了保證。

• 該儀器控制界面采用 Web 界面設(shè)計(jì)，可以通過(guò)任何瀏覽器訪問(wèn)，讓您可以完全掌控測(cè)量。

• 利用 LabOne? 繪圖儀和頻譜分析儀工具，可監(jiān)控并記錄所有相關(guān)的時(shí)域和頻域信號(hào)。

• 無(wú)需額外的數(shù)字轉(zhuǎn)換器卡來(lái)記錄測(cè)量結(jié)果，實(shí)驗(yàn)裝置更加簡(jiǎn)化，可實(shí)現(xiàn)高集成度。MFLI 可通過(guò) USB 或 1 GbE 網(wǎng)線連接來(lái)提供快速的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。

• 該儀器的輔助輸出端口可用于掃描磁場(chǎng)或微波。結(jié)合使用大量的可用 API（Python、C 語(yǔ)言、MATLAB?、LabVIEW? 和 . NET），可輕松將 MFLI 集成到現(xiàn)有的 cwEPR 頻譜儀裝置中