Spektrometr Elektronowego Rezonansu Paramagnetycznego (EPR), do pomiaru liczby spinów w badanym materiale

Transkrypt

1 Spektrometr Elektronowego Rezonansu Paramagnetycznego (EPR), do pomiaru liczby spinów w badanym materiale dr JAN DUCHIEWICZ, dr ANDRZEJ DOBRUCKI, dr hab. ANDRZEJ FRANCIK Politechnika Wrocławska, Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki dr WACŁAW STACHOWICZ, Instytut Chemii i Techniki Jądrowej, Warszawa inż. TADEUSZ OLEŚ, Uniwersytet Jagielloński, Wydział Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii, Kraków mgr TOMASZ DUCHIEWICZ, ELOKON Polska, Warszawa Spektrometria Elektronowego Rezonansu Paramagnetycznego (EPR) należy do podstawowych metod badania materii. Wyróżnić można dwa kierunki prowadzenia pomiarów tą metodą: Rejestracja sygnałów EPR, umożliwiająca wykrycie w badanej substancji lub w mieszaninie zawierającej różne substancje, związków charakteryzujących się obecnością niesparowanych elektronów (spinów) w cząsteczce, takich jak centra paramagnetyczne, wolne rodniki oraz jony paramagnetyczne metali. Każdemu z tych związków można przypisać charakterystyczne widmo EPR. Analiza kształtu zarejestrowanego widma umożliwia stwierdzenie obecności danego związku paramagnetycznego w badanej próbce oraz w niektórych przypadkach także określenie jego budowy chemicznej. Rejestracja widma sygnału EPR, umożliwiająca nie tylko wykrycie obecności w badanej substancji składników zawierających niesparowane elektrony, ale również ilościowe określenie ich zawartości wyrażone liczbą spinów. Jest to niezbędne np. w badaniach dozymetrycznych oraz do określania wydajności rodnikowych procesów radiacyjnych i fotochemicznych. Ilościowe pomiary liczby spinów są zatem niezbędne w różnych dziedzinach nauki i techniki, ponieważ pozwalają określić nie tylko sam fakt obecności danego związku paramagnetycznego w badanej próbce, ale również jego procentową zawartość. W badaniach często zachodzi potrzeba określenia ich składu ilościowego, czyli wprost określenia liczby spinów, produktów paramagnetycznych biorących udział w badanym procesie. Potrzeba takich pomiarów ilościowych występuje np. w pracach związanych z ochroną środowiska (większość procesów degradacyjnych jest związana z obecnością wolnych rodników), w gospodarce żywnościowej (wolne rodniki w żywności powstają np. wskutek działania promieniowania jonizującego), w przemyśle chemicznym (produkty pośrednie), paliwowym (surowa ropa naftowa jest najczęściej zanieczyszczona związkami wanadu z porfirynami oraz związkami węgla, doskonale wykrywalnymi metodą EPR). Pomiary ilościowe są, jak wspomniano, absolutnie niezbędne w radiacyjnej dozymetrii EPR, ponieważ umożliwiają określenie dawki promieniowania za pomocą kalibrowanego dozymetru np. alaninowego dołączanego do dowolnego napromieniowanego materiału, jak również oszacowanie dawki promieniowania, jaką zastosowano podczas radiacyjnej pasteryzacji danego produktu żywnościowego. Jest to szczególnie istotne z uwagi na ustalenia Kodeksu Żywnościowego WHO/FAO dopuszczającego napromieniowanie żywności jedynie w określonych granicach dawek określonych dla każdej grupy produktów spożywczych, nie przekraczających 10 kgy. Teoretycznie, pomiary ilościowe mogą być dokonywane niemal na każdym spektrometrem EPR. Jednak w praktyce jest to bardzo trudne, a często wręcz niemożliwe, ponieważ wymaga stosowania odpowiednich, nie zawsze dających się odczytać w widmie EPR wzorców odniesienia. Ponadto, związek pomiędzy poziomem zarejestrowanego sygnału EPR a liczbą spinów w próbce zależy od wielu, często trudnych do określenia czynników. Poniżej przedstawiono trzy wpływające na ilościowe pomiary liczby spinów czynniki, przy czym dwa pierwsze są bardzo trudne do określenia: 1. Wartość składowej magnetycznej mikrofalowego pola elektromagnetycznego wewnątrz badanej próbki. Wartość ta zależy od właściwości samej próbki, od poziomu mocy mikrofalowej oraz od konstrukcji i dobroci rezonatora pomiarowego; 2. Stopień sprzężenia badanej próbki z rezonatorem. Zależy on, między innymi od stosunku objętości samej próbki do objętości rezonatora; 3. Wzmocnienie skuteczne toru odbiorczego oraz poziom modulacji pomocniczej parametry te są stosunkowo najłatwiejsze do określenia. W jaki sposób są więc dokonywane pomiary ilościowe w praktyce? Ponieważ bezpośrednie określenie liczby spinów jest bardzo trudne, najczęściej do pomiarów ilościowych jest stosowana metoda porównawcza, polegająca na porównaniu zarejestrowanego sygnału EPR badanej próbki z zarejestrowanym sygnałem EPR próbki wzorcowej o znanej liczbie spinów. Metoda porównawcza może być realizowana na kilka sposobów: 1) W możliwie tych samych warunkach są dokonywane kolejno dwie, niezależne rejestracje sygnału EPR: dla próbki wzorcowej oraz dla próbki badanej. Jest to metoda najprostsza, ale najmniej pewna w praktyce jest niezwykle trudno zapewnić takie same warunki w obydwu pomiarach, szczególnie wtedy, gdy różnice gęstości fizycznej i elektronowej oraz liczby spinów pomiędzy próbką wzorcową i badaną są znaczne. 2) Jest dokonywana jednoczesna rejestracja sygnału EPR próbki badanej i wzorcowej, umieszczonej wewnątrz próbki badanej. Jest to metoda znacznie pewniejsza od poprzedniej oba sygnały są rejestrowane w tych samych warunkach. Jednak w praktyce jest na ogół trudno wprowadzić próbkę wzorcową do próbki badanej oraz, co ważniejsze, występuje bardzo często nakładanie się widm próbki i wzorca uniemożliwiające praktycznie pomiar. 3) Jest stosowany rezonator podwójny, zawierający dwie identyczne wnęki pomiarowe o możliwie podobnym rozkła- Elektronika 11/

2 dzie mikrofalowego pola elektromagnetycznego. W jednej z nich jest umieszczana próbka badana, w drugiej wzorcowa. Zapewnia to badanie obu próbek w niemal takich samych warunkach. Rezonator podwójny jest konstruowany np. poprzez odpowiednie złożenie dwóch identycznych rezonatorów prostokątnych o modzie TE102. Powstaje wówczas podwójny rezonator prostokątny o modzie TE104. Rezonator podwójny dla pasma X oferuje np. firma Bruker (model ER 4105DR) z informacją, że nadaje się on szczególnie do pomiarów ilościowych. Zastosowanie rezonatora podwójnego zapewnia większą dokładność określenia liczby spinów w porównaniu z dwoma, powyżej opisanymi sposobami pod warunkiem, że oba sygnały próbki i wzorca zawierają zbliżone liczby spinów. Jest tak dlatego, ponieważ oba sygnały EPR są rejestrowane jednocześnie tym samym torem odbiorczym, więc aby uniknąć maskowania sygnału słabego przez sygnał silny, poziomy obu sygnałów muszą do siebie zbliżone. Należy więc zapewnić, aby liczby spinów w obu próbkach były podobne. Jest to najczęściej niemożliwe i staje się konieczne stosowanie wielu pośrednich próbek wzorcowych lub zestawu próbek znacznie różniących się liczbą spinów. W rezultacie dokładność pomiaru spada i nie jest lepsza jak w przypadku stosowania wzorca zewnętrznego (p.1). 4) Jest stosowany rezonator podwójny (podobnie jak w wyżej opisanej metodzie) oraz dwa niezależne tory odbiorcze sygnału EPR: jeden dla sygnału próbki badanej, drugi dla sygnału próbki wzorcowej. W celu uniknięcia wzajemnych interferencji, częstotliwości pracy obu torów powinny znacznie się różnić pomiędzy sobą; optymalnym wydaje się tutaj wybór częstotliwości 100 khz dla toru próbki badanej oraz 1 khz dla toru próbki wzorcowej. Ponieważ parametry (amplituda modulacji pomocniczej, wzmocnienie skuteczne, szerokość pasma) obu torów odbiorczych mogą być dobierane niezależnie, więc intensywności (amplitudy) sygnałów EPR obu próbek mogą się różnić między sobą nawet o kilka rzędów wielkości. Przy takiej konfiguracji rezonatora jedna próbka wzorcowa może być stosowana do pomiarów wielu próbek o znacznie różniących się liczbach spinów. Jest oczywiście konieczny specjalny system komputerowy, umożliwiający jednoczesną rejestrację sygnałów z obu torów. Dwukanałowy spektrometr EPR Idea spektrometru dwukanałowego jest znana i opisana w podręcznikach dotyczących zagadnień technicznych spektrometrii EPR [1, 2] jest jednak bardzo rzadko wykorzystywana w praktyce. Przyczyną tego jest fakt, że system taki składa się niemal z dwóch spektrometrów, współpracujących jednocześnie z jednym, podwójnym rezonatorem. Według posiadanych informacji, żadna z firm komercyjnych nie oferuje dziś takiego spektrometru. W roku 1982 [3, 4] przebudowano spektrometr EPR na pasmo X firmy Varian: wyposażono go w dodatkowy tor odbiorczy o małej częstotliwości (od spektrometru na pasmo Q) na dwukanałowy spektrometr, umożliwiający jednoczesną rejestrację sygnału dwóch próbek w paśmie X. Jako rezonator podwójny zastosowano dwa rezonatory prostokątne o modzie TE102, złączone ze sobą węższymi ściankami, tworząc w ten sposób rezonator 2-komorowy o modzie TE104. Rozwiązanie takie umożliwiło przeprowadzanie pomiarów ilościowych oraz pomiary współczynnika g z dużą dokładnością nie osiągalną w spektrometrze klasycznym. Uproszczony schemat blokowy spektrometru dwukanałowego jest przedstawiony na rys. 1. Rezonator podwójny Najistotniejszym elementem dwukanałowego spektrometru EPR jest rezonator podwójny, zapewniający możliwie podobne warunki rejestracji sygnałów obu próbek. Wyróżnić tutaj można dwa rozwiązania: a. rezonator podwójny, składający się z dwóch rezonatorów tworzących w sumie jeden rezonator 2-wnękowy, b. dwa niezależne, identyczne rezonatory, włączone w taki sposób, aby nawzajem na siebie nie wpływały, natomiast aby ich sygnały wyjściowe się dodawały. Rys. 1. Schemat blokowy dwukanałowego spektrometru EPR Fig. 1. Block diagram of the two-channel EPR spectrometer 118 Elektronika 11/2010

3 Rezonator prostokątny 2-wnękowy Rezonator 2-wnękowy prostokątny najprościej można utworzyć przez odpowiednie złożenie dwóch identycznych rezonatorów prostokątnych o modzie TE102 zostanie wówczas utworzony rezonator TE104, posiadający dwie, ściśle sprzężone ze sobą wnęki. Przykład takiego rezonatora na pasmo X jest przedstawiony na rys. 2. Ograniczeniem są tutaj rozmiary rezonatora prostokątnego, które są odwrotnie proporcjonalne do częstotliwości pracy generatora mikrofal. Stąd też opisane rozwiązanie jest w zasadzie stosowane tylko dla pasma X oraz Q. Schemat poglądowy dwukanałowego spektrometru na pasmo X jest przedstawiony na rys. 3. Zastosowano w nim 2-wnękowy rezonator przedstawiony na rys. 2. Rezonator 2-wnękowy typu Loop-Gap Klasyczna konstrukcja rezonatora typu Loop-Gap, posiadającego dwie wnęki sprzężone ze sobą szczeliną jest przedstawiona na rys. 4 [5]. W ramach projektu rozwojowego NCBiR nr N R pt. Prototyp spektrometru EPR do badań dozymetrycznych i identyfikacji napromieniowanej żywności opracowano i wykonano kompletny spektrometr EPR na pasmo L, w którym zastosowano rezonator typu Loop-Gap, którego widok jest przedstawiony na rys. 5 [6 10]. Na rysunku 6 jest przedstawiony widok rezonatora typu Loop-Gap przewidzianego do zastosowania w dwukanałowym spektrometrze na pasmo L. Ze względu na stosunkowo małą odległość pomiędzy obiema wnękami pomiarowymi rezonatora, średnica cewek modulacyjnych powinna być na tyle mała, aby wytwarzane przez nie pola magnetyczne nie wpływały wzajemnie na siebie. Dwa rezonatory niezależne Rys. 2. Podwójny rezonator 2-wnękowy o modzie TE104 na pasmo X Fig. 2. X-Band double resonator with mode TE104 Rezonator podwójny można również utworzyć z dwóch identycznych rezonatorów włączonych do systemu tak, aby nawzajem na siebie nie oddziaływały, natomiast aby sygnały pochodzące od nich dodawały się. Przykładowy sposób podłączenia dwóch rezonatorów w bloku mikrofalowym przedstawiono na rys. 7. Rys. 3. Schemat poglądowy dwukanałowego spektrometru EPR na pasmo X z rezonatorem o modzie TE104 Fig. 3. Illustrative schema of the two-channel X-Band EPR spectrometer with the TE104 mode double resonator Rys. 4. Rezonator typu Loop-Gap z dwiema wnękami, sprzężonymi szczeliną: A- konstrukcja stosowana dla niższych pasm (UHF, L, S), B konstrukcja stosowana dla wyższych pasm (X, Q). Oznaczenia: h, r odpowiednio długość oraz promień pojedynczej wnęki, W, t odpowiednio szerokość oraz długość szczeliny Fig. 4. Loop-Gap resonator with two cylindrical cavity coupled with a gap.: A- construction used for lower frequency bands (UHF, L, S), B construction used for higher frequency bands (X, Q). where h, r length and radius of the cavity respectively, W, t width and length of the gap respectively Elektronika 11/

4 Rys. 5. Rezonator typu Loop-Gap zastosowany w opracowanym spektrometrze EPR na pasm L Fig. 5. Loop-Gap resonator used in the designed L-Band EPR spectrometer Rys. 6. Rezonator typu Loop-Gap do dwukanałowego spektrometru EPR na pasm L Fig. 6. Loop-Gap resonator for two-channel L-Band EPR spectrometer Rys. 7. Sposób włączenia dwóch rezonatorów Fig. 7. Manner of proper connection of two resonators in microwave unit Program sterujący Opracowano specjalny program komputerowy EPR System do sterowania poszczególnymi blokami spektrometru (stabilizator pola magnetycznego, odbiorniki cyfrowe 1 i 100 khz oraz blok mikrofalowy) poprzez interfejs USB, zapewniający jednoczesną rejestrację obu sygnałów EPR. Dodatkowo, program umożliwia zawansowaną obróbkę cyfrową zarejestrowanych sygnałów (wygładzanie, sumowanie, całkowanie, wzajemne porównywanie, różniczkowanie itp.). Program może też współpracować z innymi, dodatkowymi przyrządami pomiarowymi (sterowanymi w standardzie USB lub RS232), którymi mogą być np. jądrowy miernik pola magnetycznego, miernik częstotliwości i mocy mikrofalowej oraz regulator temperatury badanej próbki i inne. Okno główne programu EPR System przedstawiono na rysunku 8. Z uwagi na zastosowanie interfejsu USB, program EPR System może być zainstalowany zarówno w komputerze stacjonarnym (desktop) jak w komputerze przenośnym (laptop). Rys. 8. Okno główne programu EPR System. Fig. 8. Main window of the program EPR System 120 Elektronika 11/2010

5 Rys. 9. Dwukanałowe spektrometry EPR na pasmo X na Akademii Medycznej w Bydgoszczy oraz na Uniwersytecie w Białymstoku Fig. 9. X-Band two-channel EPR spectrometers in the Medical Academy in Bydgoszcz and in the University in Bialystok Przykłady realizacji Jak już wcześniej zaznaczono, żadna firma komercyjna nie oferuje dwukanałowego spektrometru EPR, nadającego się do względnych pomiarów intensywności sygnałów EPR. Spektrometr taki można np. uzyskać w ramach modernizacji starszego modelu spektrometru. W ostatnich latach grupa pracowników Politechniki Wrocławskiej zbudowała trzy dwukanałowe spektrometry EPR na pasmo X, które zostały przedstawione poniżej. a. Akademia Medyczna w Bydgoszczy oraz Uniwersytet w Białymstoku. Dwukanałowe spektrometry EPR na pasmo X zestawiono na bazie spektrometrów EPR wykonanych niegdyś przez nieistniejącą już firmę Radioman w Poznaniu. b. Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie Dwukanałowy spektrometr EPR na pasmo X zestawiono na bazie spektrometru EPR, wykonanego przez Politechnikę Wrocławską. Podsumowanie Z przedstawionych informacji i przykładów konkretnych rozwiązań wynika, że przy stosunkowo niewielkim nakładzie kosztów można uzyskać zupełnie nowe narzędzie badawcze, dotychczas nie oferowane przez światowy przemysł aparaturowy. Możliwość dokładnych pomiarów intensywności sygnałów EPR ma duże znaczenie niemal we wszystkich dziedzinach nauki i techniki, w których wykorzystuje się spektrometrię EPR. Do budowy takiego spektrometru szczególnie nadaje się opracowany przez nasz zespół spektrometr na pasmo L. Uzupełniając ten spektrometr o dodatkowy, cyfrowy odbiornik sygnału EPR częstotliwości 1 khz oraz nieznacznie zmieniając konstrukcję zastosowanego rezonatora Loop-Gap, uzyskuje się dwukanałowy spektrometr EPR na pasmo L nowej generacji. Spektrometr taki nadaje się szczególnie do pomiarów dozymetrycznych, m.in. napromieniowanej żywności różnego rodzaju. Ponieważ tłumienie pola elektromagnetycznego wnoszone przez wodę w paśmie L jest znacznie mniejsze niż w przypadku wyższych pasm częstotliwości (X, K, Q), więc spektrometr na pasmo L jest szczególnie przydatny w badaniach substancji o dużej zawartości wody (tj. próbek z natury mokrych), co jest typową cechą większości żywności oraz materiałów biologicznych. W przeciwieństwie do pasma L, próbki lite o dużej zawartości wody są trudno mierzalne lub też w ogóle niemierzalne w wyższych pasmach częstotliwości (X, K, Q). Można przyjąć, że spektrometr taki znalazłby zastosowanie nie tylko w stacjach sanitarno-epidemiologicznych, lecz również w jednostkach badawczych i firmach zajmujących się zarówno badaniem jak też przetwarzaniem i dystrybucją materiałów biologicznych oraz wszelkiego rodzaju żywności krajowej, jak też importowanej. Literatura Rys. 10. Dwukanałowy spektrometr EPR na pasmo X w Instytucie Fizyki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie Fig. 10. X-Band two-channel EPR spectrometer in the Institute of Physics of the Polish Academy of Science in Warszawa [1] Poole Jr. C. P., Charles P.: Electron Spin Resonance. Interscience Publication, Y. York, London, Sydney [2] Wertz J. E., Bolton J. R.: Electron Spin Resonance. Elementary Theory and Practical Applications. McGraw Hill Co., New York [3] Lange J.P., Gutsze A., Karge H.G.: Coke Formation through the Reaction of Olefins over Hydrogen Modernite. Journal of Catalysis, 114, 136 (1988). [4] Witzel F., Karge H.G., Gutsze A.: ESR Measurements for the Characterization of Acidic Lewis Sites in Zeolites. Proc of 9th Elektronika 11/

6 International Zeolite Conference, Montreal 1992, Bulterworth- Heinemann 1993, 283. [5] Ferenc S., Ferenc M. ESR spectrometer with a loop-gap resonator for CW and time resolved studies in a superconducting magnet, Journal of Magnetic Resonance 173 (2005). [6] Duchiewicz J., Dobrucki A., Francik A., Duchiewicz T., Sadowski A., Idźkowski B., Kutynia A.: Cyfrowy odbiornik z układem FPGA do spektrometru EPR. Elektronika Konstrukcje, Technologie, Zastosowania, nr 3/2010. [7] Duchiewicz J., Dobrucki A., Francik A., Duchiewicz T., Sadowski A., Idźkowski B., Kutynia A,, Błaszczyk J.: Źródło pola magnetycznego do spektrometru Elektronowego Rezonansu Paramagnetycznego (EPR) na pasmo L. Elektronika Konstrukcje, Technologie, Zastosowania, nr 4/2010 [8] Duchiewicz J., Dobrucki A., Francik A., Duchiewicz T., Sadowski A., Idźkowski B., Kutynia A,, Błaszczyk J.: Moduł mikrofalowy do Spektrometru Elektronowego Rezonansu Paramagnetycznego (EPR) na pasmo L. Elektronika Konstrukcje, Technologie, Zastosowania, nr 5/2010. [9] Duchiewicz J., Dobrucki A., Francik A., Duchiewicz T., Sadowski A., Idźkowski B., Kutynia A,, Błaszczyk J.: Spektrometr Elektronowego Rezonansu Paramagnetycznego (EPR) na pasmo L. Elektronika Konstrukcje, Technologie, Zastosowania, nr 6/2010. [10] Duchiewicz J., Dobrucki A., Francik A., Duchiewicz T., Sadowski A., Idźkowski B., Kutynia A., Błaszczyk J.: L-Band Electron Paramagnetic Resonance (EPR) Spectrometer. 4th Microwave and Radar Week MIKON 2010, June, 2010 in Vilnius (Litwa).