2024年4月17日訊——電子順磁共振（EPR）波譜儀或電子自旋共振（ESR）波譜儀與核磁共振（NMR）光譜儀類似，但不同之處在于它研究的對(duì)象是未配對(duì)的電子而不是原子核，比如質(zhì)子。它被用于研究化學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)和物理學(xué)等領(lǐng)域的金屬絡(luò)合物或有機(jī)自由基的電子結(jié)構(gòu)。EPR波譜儀所需的巨大電磁鐵通常重達(dá)一噸以上，如此重的設(shè)備一般會(huì)被放置于地下室。位于美國(guó)波士頓附近的Bridge12公司推出了一款新一代EPR光譜儀，其成本約為現(xiàn)有儀器的一半，尺寸和重量也只達(dá)到了現(xiàn)有儀器的十分之一。因此，用戶可以將其放置于任意樓層。該設(shè)備的系統(tǒng)核心是由Spectrum儀器的兩款產(chǎn)品構(gòu)成，一個(gè)是用于產(chǎn)生脈沖的任意波形發(fā)生器，另一個(gè)則是用于捕獲返回信號(hào)的數(shù)字化儀。

Bridge 12 推出更小、更輕且更具成本效益的EPR光譜儀，并將該技術(shù)開(kāi)放給更多的科學(xué)家

Bridge12 磁共振副總裁Thorsten Maly表示：“作為一家初創(chuàng)公司，我們用來(lái)設(shè)計(jì)EPR光譜儀的平臺(tái)使用了最新的技術(shù)。這使我們研發(fā)的下一代產(chǎn)品要比市面上既有的產(chǎn)品更小巧且更緊湊。我們的很多客戶都是大學(xué)的研究人員，他們通常會(huì)通過(guò)合作的方式來(lái)使用這項(xiàng)技術(shù)。然而，我們此次推出的全新產(chǎn)品不僅具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)而且技術(shù)先進(jìn)，為更多該領(lǐng)域的研究人員開(kāi)啟了這項(xiàng)技術(shù)的大門。除此之外，我們還降低了該設(shè)備的使用門檻，任何科學(xué)家都可以將其用于研究，這也使EPR光譜儀得到了更廣泛的應(yīng)用。我們的控制軟件直觀易用并配有很多自動(dòng)化功能，不僅設(shè)置簡(jiǎn)單，還能立刻檢查出任何出錯(cuò)的地方。簡(jiǎn)而言之，您不必成為EPR光譜儀的專家也能輕松獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。”

EPR的工作原理

EPR光譜儀可被用于結(jié)構(gòu)生物學(xué)。它能夠通過(guò)自由基之間的距離來(lái)確定（膜）蛋白質(zhì)的折疊形狀。這將為蛋白質(zhì)如何與其他分子或蛋白質(zhì)相互作用提供了深入的見(jiàn)解。其原理是將兩個(gè)自旋標(biāo)簽(標(biāo)記)附著在蛋白質(zhì)上，并使用脈沖偶極光譜（脈沖EPR光譜儀的一種形式）測(cè)量它們之間的距離來(lái)完成的。自旋標(biāo)簽是特殊設(shè)計(jì)的非反應(yīng)性自由基分子。EPR光譜儀可以通過(guò)一系列微波脈沖激發(fā)自由基并檢測(cè)其反應(yīng)。自旋之間的偶極耦合直接使兩個(gè)標(biāo)記之間產(chǎn)生了距離。自旋標(biāo)簽對(duì)可以放在蛋白質(zhì)的不同位置以產(chǎn)生一組距離，還可以用來(lái)確定蛋白質(zhì)折疊的三維模型。

低噪聲及模塊化組件

“通過(guò)精準(zhǔn)的脈沖序列，EPR光譜儀可以測(cè)量1 - 100埃范圍內(nèi)的距離，這就是我們?yōu)槭裁匆褂肧pectrum儀器產(chǎn)品的重要原因，因?yàn)樗鼈兊脑胍魳O低。”Maly表示，“此外，我們的光譜儀采用模塊化設(shè)計(jì)，使客戶能夠自由選擇他們想要的產(chǎn)品性能。我們從Spectrum旗下的產(chǎn)品中選擇了適用最為廣泛的AWG和數(shù)字化儀，而用戶也不必受限于購(gòu)買特定的卡片。我們認(rèn)為Spectrum產(chǎn)品可圈可點(diǎn)之處在于它們可以集成在Netboxes，然后通過(guò)以太網(wǎng)與電腦連接。這樣，我們只通過(guò)一臺(tái)小巧的電腦，而不是一臺(tái)足以容納所有卡片設(shè)備或笨重的機(jī)架解決方案就能完成全部操作。這也使后期的設(shè)備維修和部件更換變得更加容易。”

圖2：在35GHz Q頻段范圍內(nèi)運(yùn)行

在過(guò)去幾十年里，雷達(dá)技術(shù)和移動(dòng)通信行業(yè)的發(fā)展推動(dòng)了EPR光譜儀的進(jìn)步。這些技術(shù)創(chuàng)造了可用于構(gòu)建EPR硬件的設(shè)備。該設(shè)備采用微波技術(shù)，頻率越高分辨率也越高。迄今為止，EPR光譜儀的工作頻率為10GHzz (x波段)。但隨著5G技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了能夠在35GHz（Q頻段）運(yùn)行的商用設(shè)備，這對(duì)于此次推出的新產(chǎn)品而言更為適用。

AWG在34 GHz下產(chǎn)生的WURST脈沖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，AWG在200至500 MHz范圍內(nèi)能夠產(chǎn)生10 - 100 ns長(zhǎng)脈沖。通過(guò)RF I/Q混頻器向上轉(zhuǎn)換為X波段，再上轉(zhuǎn)換為Q波段。在發(fā)送至EPR諧振器之前，將微波脈沖送入100W固態(tài)放大器。然后，將反射信號(hào)向下轉(zhuǎn)換為200至500 MHz范圍內(nèi)的IF頻率并發(fā)送到數(shù)字化儀。在EPR光譜儀中，信號(hào)通常是向下轉(zhuǎn)化為直流。然而，這種新方法顯著降低了噪聲和偽影。

圖2顯示了在現(xiàn)代EPR實(shí)驗(yàn)中使用AWG生成脈沖類型的示例。WURST(寬帶、均勻速率、平滑截?cái)?脈沖是寬帶微波脈沖，其激發(fā)帶寬和輪廓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)簡(jiǎn)單的矩形脈沖。這種脈沖允許在EPR光譜儀中進(jìn)行寬帶激發(fā)，其表現(xiàn)與AWG的性能息息相關(guān)。

輕巧磁鐵產(chǎn)生強(qiáng)烈磁場(chǎng)

此外，產(chǎn)生1到1.5特斯拉量級(jí)的強(qiáng)磁場(chǎng)通常需要一個(gè)巨大而沉重的電磁鐵。Maly解釋道:“我們使用了一個(gè)更小的超導(dǎo)磁體來(lái)產(chǎn)生所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，樣品總是需要用液氦冷卻到低溫。因此，我們找到了一個(gè)不含液體制冷劑（干式）的磁鐵供應(yīng)商。這種磁鐵體積小，重量輕，可以產(chǎn)生1.2特斯拉的高磁場(chǎng)，但尺寸和重量只有130公斤左右。與使用液氦不同，新產(chǎn)品使用了冷頭和氦氣壓縮機(jī)（這實(shí)際上是一個(gè)冰箱），可以在封閉循環(huán)中實(shí)現(xiàn)低溫。這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)楂@得液氦變得越來(lái)越困難。”

Maly總結(jié)道：“Spectrum提供的5年質(zhì)保增強(qiáng)了我們的信心，因?yàn)檫@些產(chǎn)品都是EPR光譜儀所使用的關(guān)鍵部件。在設(shè)置設(shè)備方面，Spectrum的技術(shù)支持也是一流的。如果我們的客戶在使用產(chǎn)品中出現(xiàn)任何問(wèn)題，我們知道Spectrum將使我們可以信賴的合作伙伴。”