电子顺磁共振 (EPR)

电子顺磁共振 (EPR) 或电子自旋共振 (ESR) 是针对顺磁性物质提供丰富电子结构信息的技术之一。EPR 光谱特别适用于研究具有强烈局域化自旋密度的（生物）化学系统及其与环境的相互作用。对于这些系统，EPR 可提供有关结构和动力学的信息，被广泛用于化学、物理和生物学领域。

EPR 测量通常在连续波 (cw) 或脉冲模式下进行。cwEPR 频谱仪（如图）施加约 3500 G (0.35 T) 的磁场，并测量 9-10 GHz 波段（X 波段）的微波吸收。通常，测量时固定微波频率，并对磁场进行扫描（对于 X 波段而言，扫描范围为 0 mT 到 700 mT）。

本图中的左半部分显示了经由微波检波器检测到的典型信号。通过额外施加一个小型的振荡磁场，可在待测信号中添加调制（典型频率为 100kHz），从而可以利用锁相检测方法来提高灵敏度，同时获得相位信息。使用此方法检测得到的信号为吸收光谱的一阶导数，如上图的右半部分所示。

为了在较短的采集时间内实现高分辨率，需要基于以下三个参数进行平衡：调制频率、调制幅度和锁相滤波器带宽。

首先，频谱分辨率取决于信噪比 (SNR) 和频谱失真，而这两者受到磁场调制幅度的影响。调制幅度较大时，随着信号强度的增加，信噪比也会增加。但是在较大的调制幅度下，所检测到的 EPR 信号会变宽失真，导致无法分辨出相邻的谱线，从而导致频率分辨率降低。当使用较高的调制频率，而自旋弛豫因过于缓慢而无法跟上磁场的快速变化时，也会产生类似的失真效应。

此外，信噪比和频谱分辨率也直接取决于调制频率。这是使用锁相检测技术的结果，详见锁相检测原理白皮书。较高的调制频率可实现高信噪比，但也会导致上述频谱失真。

最后，用于锁相检测的滤波器带宽也会影响信噪比和采集时间。较低的滤波器带宽虽然可实现高信噪比，但也会导致磁场扫描中的每个步骤的采集时间变慢，这是因为较低的滤波器带宽所需的稳定时间较长。另一种实现高信噪比的方式是采取信号平均的方法（记住，信噪比与信号平均时间成正比）并且采用稳定时间及采集时间短的更大带宽的滤波器。在稳定的实验室环境中使用稳定的频谱仪时，滤波器带宽较大的信号多次平均和滤波器带宽较小的信号少量平均在效果上相当。当然，在实际应用当中，必须考虑信号随时间漂移。这就需要在滤波器带宽和信号平均时间之间找到适当平衡。

下表总结了相关参数及其对分辨率和采集时间的影响。

X = 没有影响

要实现理想的 cwEPR 测量，需要正确调节调制幅度、调制频率、滤波器带宽以及信号平均次数。在进行上述关键调节时，EPR 用户需要借助仪器，这些仪器要能够完全控制这些参数，同时又能提供工具来分析时域和频域内信号，以判定信噪比和频谱分辨率。

考虑到理想测量 cwEPR 的要求，苏黎世仪器的 MFLI 500 kHz 锁相放大器是用于 cwEPR 测量的合适之选：

• 该仪器可选择小的时间常数，并且其较低的输入电压噪声为选择较短的采集时间提供了保证。
• 该仪器控制界面采用 Web 界面设计，可以通过任何浏览器访问，让您可以完全掌控测量。
• 利用 LabOne® 绘图仪和频谱分析仪工具，可监控并记录所有相关的时域和频域信号。

• 无需额外的数字转换器卡来记录测量结果，实验装置更加简化，可实现高集成度。MFLI 可通过 USB 或 1 GbE 网线连接来提供快速的数字数据传输。
• 该仪器的辅助输出端口可用于扫描磁场或微波。结合使用大量的可用 API（Python、C 语言、MATLAB®、LabVIEW™ 和 . NET），可轻松将 MFLI 集成到现有的 cwEPR 频谱仪装置中。