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任意波形发生卡(AWG)应用于电子顺磁共振(EPR)波谱仪

电子顺磁共振(EPR波谱仪或电子自旋共振(ESR波谱仪与核磁共振(NMR光谱仪类似,但不同之处在于它研究的对象是未配对电子而不是原子核,比如质子。它被研究化学、生物学、材料科学和物理学等领域的金属络合物或有机自由基的电子结构。EPR波谱仪所需的巨大电磁铁通常重达一吨以上,如此重的设备一般会被放置于地下室。位于美国波士顿附近的Bridge12公司推出了一款新一代EPR光谱仪,其成本约为现有仪器的一半,尺寸和重量也只达到了现有仪器的十分之一。因此,用户可以将其放置于任意楼层该设备的系统核心是Spectrum公司的两款产品构成,一个是用于产生脉冲的任意波形发生器,另一个则是用于捕获返回信号的数字化仪。


Bridge 12 推出更小、更轻且更具成本效益的EPR光谱仪,并将该技术开放给更多的科学家


Bridge12 磁共振副总裁Thorsten Maly表示:作为一家初创公司,我们用来设计EPR光谱仪的平台使用了最新的技术。这使我们研发的下一代产品要比市面上既有的产品更小巧且更紧凑。我们的很多客户都是大学的研究人员,他们通常会通过合作的方式来使用这项技术。然而,我们此次推出的全新产品不仅具有价格优势而且技术先进,为更多该领域的研究人员开启了这项技术的大门。除此之外,我们还降低了该设备的使用门槛,任何科学家都可以将其用于研究,这也使EPR光谱仪得到了更广泛的应用。我们的控制软件直观易用并配有很多自动化功能,不仅设置简单,还能立刻检查出任何出错的地方。简而言之,您不必成为EPR光谱仪的专家也能轻松获得实验结果。”

EPR的工作原理

EPR光谱仪可被用于结构生物学。它能够通过自由基之间的距离来确定(膜)蛋白质的折叠形状。这将为蛋白质如何与其他分子或蛋白质相互作用提供了深入的见解。其原理是将两个自旋标签(标记)附着在蛋白质上,并使用脉冲偶极光谱(脉冲EPR光谱仪的一种形式)测量它们之间的距离来完成的自旋标签是特殊设计的非反应性自由基分子。EPR光谱仪可以通过一系列微波脉冲激发自由基并检测其反应。自旋之间的偶极耦合直接使两个标记之间产生了距离。自旋标签对可以放在蛋白质的不同位置以产生一组距离,还可以用来确定蛋白质折叠的三维模型。

低噪声模块化组件

通过精准的脉冲序列,EPR光谱可以测量1 - 100埃范围内的距离,这就是我们为什么要使用Spectrum仪器产品的重要原因,因为它们的噪音极低。Maly表示,“此外,我们的光谱仪采用模块化设计使客户能够自由选择他们想要的产品性能我们从Spectrum旗下的产品中选择了适用最为广泛的AWG和数字化仪,而用户也不必受限于购买特定的卡片我们认为Spectrum产品可圈可点之处在于它们可以集成Netboxes,然后通过以太网与电脑连接。这样我们只通过一台小巧的电脑,而不是一台足以容纳所有卡片设备或笨重的机架解决方案就能完成全部操作。这也使后期的设备维修和部件更换变得更加容易。

在35GHz Q频段范围内运行

在过去几十年里,雷达技术和移动通信行业的发展推动了EPR光谱仪的进步。这些技术创造了可用于构建EPR硬件的设备。该设备采用微波技术,频率越高分辨率也越高。迄今为止,EPR光谱仪的工作频率为10GHzz (x波段)。但随着5G技术的发展,出现了能够在35GHzQ频段)运行的商用设备,这对于此次推出的新产品而言更为适用。

AWG34 GHz下产生的WURST脉冲

根据实验要求,AWG200500 MHz范围内能够产生10 - 100 ns长脉冲。通过RF I/Q混频器向上转换为X波段,再上转换为Q波段。在发送至EPR谐振器之前,将微波脉冲送入100W固态放大器。然后,将反射信号向下转换为200500 MHz范围内的IF频率并发送到数字化仪。在EPR光谱仪中,信号通常是向下转化为直流。然而,这种新方法显著降低了噪声和伪影。

2显示了在现代EPR实验中使用AWG生成脉冲类型的示例。WURST(宽带均匀速率平滑截断)脉冲是宽带微波脉冲,其激发带宽和轮廓远远超过简单的矩形脉冲。这种脉冲允许在EPR光谱中进行宽带激发,其表现与AWG的性能息息相关

轻巧磁铁产生强烈磁场

此外,产生11.5特斯拉量级的强磁场通常需要一个巨大而沉重的电磁铁。Maly解释道:“我们使用一个更小的超导磁体来产生所需的磁场强度。在这个实验中,样品总是需要用氦冷却到低温。因此,我们找到了一个不含液体制冷剂(干式)的磁铁供应商这种磁铁体积小,重量轻,可以产生1.2特斯拉的高磁场,但尺寸和重量只有130公斤左右。与使用液氦不同,新产品使用了冷头和氦气压缩机这实际上是一个冰箱),可以在封闭循环中实现低温。这一点至关重要,因为获得液氦变得越来越困难

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