提升電子自旋共振波譜儀靈敏度的途徑

張宬

摘? 要：磁共振主要是磁矩不等于零的原子或者是原子核通過穩(wěn)恒磁場的作用而對電磁輻射產(chǎn)生共振吸收的一種現(xiàn)象。目前，核磁共振儀器已經(jīng)在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而共振波譜儀也越來越成為人類進步必不可少的儀器設(shè)備，在科學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟、社會問題等方面都占據(jù)著重要的地位。

關(guān)鍵詞：電子自旋;共振;波譜儀;靈敏度

中圖分類號：O482.5? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）08-0124-02

Abstract： Magnetic resonance is mainly a phenomenon in which the magnetic moment is not equal to zero or the nucleus produces resonance absorption of electromagnetic radiation through the action of a steady magnetic field. At present， nuclear magnetic resonance （NMR） instruments have been widely used in many fields， and resonance spectrometer has increasingly become an indispensable instrument and equipment for human progress， occupying an important position in science， environment， economy， social problems and so on.

Keywords： electron spin; resonance; spectrometer; sensitivity

前言

隨著物理學(xué)科的不斷發(fā)展，共振波譜儀已經(jīng)在諸多領(lǐng)域得到廣泛運用。當(dāng)磁共振是通過原子當(dāng)中的電子自旋磁矩而產(chǎn)生時，就可以稱作電子自旋共振。波譜儀是一種小波長、高頻小調(diào)場式的器件，而電子自旋共振波譜儀在設(shè)計以及制作時就應(yīng)用到許多新興技術(shù)及方法，靈敏度及分辨率都非常高，且穩(wěn)定性也很好，適合應(yīng)用到對靈敏度要求高的領(lǐng)域，如生物學(xué)樣品測量等。本文著重介紹了電子自旋共振波譜儀靈敏度的提升方法，目的在于為波譜儀這種對靈敏度有著苛刻要求的設(shè)備研究提供出參考借鑒。

1 電子自旋共振原理概述

電子自旋共振波譜學(xué)科的研究內(nèi)容主要是電子磁偶極矩，而電子磁矩又有兩部分內(nèi)容：電子圍繞著核運動而生成的運行軌道磁矩以及電子自旋而發(fā)生的自旋磁矩。通常而言，電子自旋磁矩在整個磁矩當(dāng)中所占的比重達(dá)到了99%之多，反過來運行軌道磁矩所占的比重則要小得多。

當(dāng)有外部直流磁場H存在時，自旋能級就會出現(xiàn)分裂，其分裂間隔是gβH，如果這時在自旋系統(tǒng)當(dāng)中還有外在的射頻場存在，射頻磁場所產(chǎn)生的偏振和直流磁場方向相互垂直，那么當(dāng)射頻量子hv=gβH的時候，自旋系統(tǒng)就會因吸收頻場產(chǎn)生的能量而進行躍遷，通過躍遷可以讓處于低能級的自旋升至高能級，這樣便產(chǎn)生了電子自旋共振。所以發(fā)生電子自旋共振的根本要求是hv=gβH。其中，h為普朗克常量;v為射頻場頻率值;g為波譜分裂因子;β為波爾磁子;H為外部磁場強度。

如果是特定的自旋系統(tǒng)，那么上式當(dāng)中只有v與H是變量，而且所要求的頻率、磁場范圍都很寬。因為技術(shù)方面的因素，大部分波譜儀所用到的頻率v都是固定的，通過改變磁場H來達(dá)到共振目的，頻率一般都選在微波范圍內(nèi)。

2 電子自旋共振波譜儀結(jié)構(gòu)特點

2.1 電子自旋共振波譜儀自身結(jié)構(gòu)分析

電子自旋共振波譜儀屬于大型、精密且綜合性很強的儀器，進行電子自旋共振波譜儀設(shè)備研發(fā)時，會涉及到諸多的知識體系，且對技術(shù)也有著很高的要求，加工時對精度要求苛刻，尤其是應(yīng)用在生物學(xué)領(lǐng)域的波譜儀更是如此，不但要考慮到上述要求，同時還要注重下面幾點要求：一是共振波譜儀應(yīng)用在生物領(lǐng)域時，由于生物材料自旋濃度低，所以要求波譜儀的靈敏度特別高;二是在生物檢測領(lǐng)域，由于含水樣品檢測特別重要，所以波譜儀應(yīng)當(dāng)具有良好的含水樣品檢測、活性組織、活性細(xì)胞檢測性能;三是盡管在生物樣品檢測方面對波譜儀分辨率無過于嚴(yán)格的要求，但是也要盡量達(dá)到10-4;四是磁場掃描范圍要求寬，從而才能滿足寬譜線需求;五是對儀器的適應(yīng)性要求也高，這樣才能添加不同的附件以及設(shè)備。

綜合上述這些要求，我們可以采用國際方面先進的經(jīng)驗技術(shù)，從國內(nèi)元器件發(fā)展情況出發(fā)，有針對性地進行研發(fā)改進，運用新工藝、新技術(shù)，自行設(shè)計，以此來提升電子自旋共振波譜儀的靈敏度。其參考方案為：采用3cm的微波波段，運用零差檢波系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)方面，整機主要包括主機、微波單元、電磁鐵及其電源幾大部分，在組裝時按照功能單元進行，方便拆卸安裝及維護保養(yǎng)。對于電子自旋共振波譜儀而言，其電路結(jié)構(gòu)特征為：一是所選微波靈敏度及其高，且諧振腔大小也適宜，能夠存放中等體積大小的樣品，而且可以經(jīng)受低溫、光照、輻射等外界刺激[1]。

2.2 電子自旋共振波譜儀使用優(yōu)勢

一是在微波電路檢波方面，運用有著晶體結(jié)構(gòu)補償旁臂的檢波系統(tǒng)，這樣不但可以讓晶體處于最佳的工作狀態(tài)，同時也能滿足不同功率下的電子自旋共振測試;二是運用特定的高頻小調(diào)場，噪音小，在接收時采用高增益窄帶及相敏檢波技術(shù)，可以有效控制系統(tǒng)接受時的噪音大小;三是在電磁鐵電源方面使用晶體管穩(wěn)流電源，其優(yōu)勢為穩(wěn)定性好、效率高、波紋小，通過測速發(fā)電機進行磁場掃描，可掃描的范圍寬，線性好，不用擔(dān)心堵轉(zhuǎn);四是微波頻率整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性及精密性好，從而能夠保證微波頻率的穩(wěn)定性。不但能夠?qū)悠非贿M行鎖頻，而且也能對外部的參考腔進行鎖頻處理，從而滿足不同的測試需求;五是運用光柵技術(shù)，通過顯像管進行大屏波譜顯示;六是設(shè)備各個單元電路組裝、設(shè)備布局都是通過慎密考慮，合理設(shè)計出來的，可以有效避免不同電路間的干擾，提高對外界干擾的抵抗能力。

3 電子自旋共振波譜儀靈敏度的提升方法

提高電子自旋共振波譜儀靈敏度一直以來都是科學(xué)家以及諸多工程研發(fā)人員的努力方向。經(jīng)過長期努力，目前波譜儀的靈敏度已經(jīng)從最開始的幾十提升到了現(xiàn)在的幾千，其原因是多方面的，概括起來有傅里葉變換技術(shù)、信號疊加、磁場強度提升、探頭設(shè)計的不斷改進、波譜儀各系統(tǒng)部件優(yōu)化、波譜學(xué)理論的進步等。下面將從幾個方面出發(fā)著重論述波譜儀林敏度的提升途徑。

3.1 增強信號強度

一是提升磁場強度。在提升電子自旋共振波譜儀靈敏度時，最為有效明顯的手段便是提升磁場強度，而在研發(fā)高場以及超高場共振磁體時，其關(guān)鍵也是研發(fā)出高臨界磁場、臨界電流密度、可以承受大電流的超導(dǎo)線;二是信號累加。對樣品進行多次重復(fù)掃描，并且把掃描信號進行疊加，可以讓電壓也進行累加，但是噪聲屬于隨機的，而噪聲電壓和累加次數(shù)成正比，所以通過多次實驗?zāi)軌虻贸觯盘柪奂涌梢蕴岣卟ㄗV儀的靈敏度;三是合理設(shè)計探討結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)?？梢愿鶕?jù)具體被激勵核類型及數(shù)量將探頭分成單共振、雙共振以及三共振等幾種類型。雙共振主要是在實驗當(dāng)中讓兩種頻率不同的射頻場一起作用在兩個不同原子核構(gòu)成的樣品上，使其同時進行核磁共振。在進行核磁共振時，雙共振是最為常用的一種實驗手段例如C13核，可以顯著簡化譜圖，提升設(shè)備的靈敏度[2]。

3.2 降低噪聲電平

共振波譜儀的噪聲來源主要包括樣品線圈自身的熱噪聲、前置放大器所產(chǎn)生的噪聲以及樣品自身所產(chǎn)生的熱噪聲。而熱噪聲也是會對靈敏度產(chǎn)生重要影響的一個因素，其中降低熱噪聲最為突出的案例便是低溫探頭。除此之外，使用濾波器來降低噪聲也是提升信噪比的一種重要途徑。

3.3 其它靈敏度提升方法與技術(shù)

除了從波譜儀自身出發(fā)來提升其靈敏度以外，還可以改進實驗方法來提高核磁共振波譜儀靈敏度。其方法如傅里葉變換技術(shù)、交叉極化以及間接檢測等和雙共振相關(guān)的各種技術(shù)，可以讓波譜儀靈敏度得到數(shù)倍的提升。除此之外，動態(tài)核極化與激光增強核自旋極化技術(shù)都能讓波譜儀檢測靈敏度得到明顯提升。動態(tài)核極化技術(shù)屬于電子與原子核雙共振，主要研究原子核在磁場當(dāng)中和電磁波二者間的作用力[3]。原子包括電子與原子核，當(dāng)外界作用不存在時，電子自旋在不同能級上分布遵循玻爾茲曼定律，電子自旋保持平整狀態(tài)。這時假如讓頻率和電子自旋共振相同的微波電磁場作用在樣品上，電子進行極化，就會極大地增強極化效果，信號強度也會提升數(shù)百倍。

4 結(jié)束語

總而言之，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，電子自旋共振波譜儀靈敏度的提升方法越來越豐富多樣，對其應(yīng)用、實驗都有著重要的指導(dǎo)意義。相信在未來，電子自旋共振波譜儀的靈敏度會得到數(shù)倍級的提升，為更多領(lǐng)域應(yīng)用所服務(wù)。

參考文獻：

[1]趙鳳行.電子自旋共振信號捕獲技術(shù)的研究[D].青海師范大學(xué)，2010.

[2]Christopher，WHITE，Colin，等.Micro-ESR：微型電子自旋共振光譜儀[J].生命科學(xué)儀器，2011，09（3）：23-26.

[3]劉若茜.電子自旋共振譜儀中復(fù)合磁體的研制[J].電器與能效管理技術(shù)，2000（3）：18-20.