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Spectrum儀器數(shù)字化儀及AWG成為設備核心

中國北京，2024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象是未配對的電子而不是原子核，比如質子。它被用于研究化學、生物學、材料科學和物理學等領域的金屬絡合物或有機自由基的電子結構。EPR波譜儀所需的巨大電磁鐵通常重達一噸以上，如此重的設備一般會被放置于地下室。位于美國波士頓附近的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。該設備的系統(tǒng)核心是由Spectrum儀器的兩款產品構成，一個是用于產生脈沖的任意波形發(fā)生器，另一個則是用于捕獲返回信號的數(shù)字化儀。

Bridge 12 推出更小、更輕且更具成本效益的EPR光譜儀，并將該技術開放給更多的科學家

Bridge12 磁共振副總裁Thorsten Maly表示：“作為一家初創(chuàng)公司，我們用來設計EPR光譜儀的平臺使用了最新的技術。這使我們研發(fā)的下一代產品要比市面上既有的產品更小巧且更緊湊。我們的很多客戶都是大學的研究人員，他們通常會通過合作的方式來使用這項技術。然而，我們此次推出的全新產品不僅具有價格優(yōu)勢而且技術先進，為更多該領域的研究人員開啟了這項技術的大門。除此之外，我們還降低了該設備的使用門檻，任何科學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用。我們的控制軟件直觀易用并配有很多自動化功能，不僅設置簡單，還能立刻檢查出任何出錯的地方。簡而言之，您不必成為EPR光譜儀的專家也能輕松獲得實驗結果。”

EPR的工作原理

EPR光譜儀可被用于結構生物學。它能夠通過自由基之間的距離來確定（膜）蛋白質的折疊形狀。這將為蛋白質如何與其他分子或蛋白質相互作用提供了深入的見解。其原理是將兩個自旋標簽(標記)附著在蛋白質上，并使用脈沖偶極光譜（脈沖EPR光譜儀的一種形式）測量它們之間的距離來完成的。自旋標簽是特殊設計的非反應性自由基分子。EPR光譜儀可以通過一系列微波脈沖激發(fā)自由基并檢測其反應。自旋之間的偶極耦合直接使兩個標記之間產生了距離。自旋標簽對可以放在蛋白質的不同位置以產生一組距離，還可以用來確定蛋白質折疊的三維模型。

低噪聲及模塊化組件

“通過精準的脈沖序列，EPR光譜儀可以測量1 - 100埃范圍內的距離，這就是我們?yōu)槭裁匆褂肧pectrum儀器產品的重要原因，因為它們的噪音極低。”Maly表示，“此外，我們的光譜儀采用模塊化設計，使客戶能夠自由選擇他們想要的產品性能。我們從Spectrum旗下的產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買特定的卡片。我們認為Spectrum產品可圈可點之處在于它們可以集成在Netboxes，然后通過以太網(wǎng)與電腦連接。這樣，我們只通過一臺小巧的電腦，而不是一臺足以容納所有卡片設備或笨重的機架解決方案就能完成全部操作。這也使后期的設備維修和部件更換變得更加容易。”

圖2：在35GHz Q頻段范圍內運行

在過去幾十年里，雷達技術和移動通信行業(yè)的發(fā)展推動了EPR光譜儀的進步。這些技術創(chuàng)造了可用于構建EPR硬件的設備。該設備采用微波技術，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技術的發(fā)展，出現(xiàn)了能夠在35GHz（Q頻段）運行的商用設備，這對于此次推出的新產品而言更為適用。

AWG在34 GHz下產生的WURST脈沖

根據(jù)實驗要求，AWG在200至500 MHz范圍內能夠產生10 - 100 ns長脈沖。通過RF I/Q混頻器向上轉換為X波段，再上轉換為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，將反射信號向下轉換為200至500 MHz范圍內的IF頻率并發(fā)送到數(shù)字化儀。在EPR光譜儀中，信號通常是向下轉化為直流。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實驗中使用AWG生成脈沖類型的示例。WURST(寬帶、均勻速率、平滑截斷)脈沖是寬帶微波脈沖，其激發(fā)帶寬和輪廓遠遠超過簡單的矩形脈沖。這種脈沖允許在EPR光譜儀中進行寬帶激發(fā)，其表現(xiàn)與AWG的性能息息相關。

輕巧磁鐵產生強烈磁場

此外，產生1到1.5特斯拉量級的強磁場通常需要一個巨大而沉重的電磁鐵。Maly解釋道:“我們使用了一個更小的超導磁體來產生所需的磁場強度。在這個實驗中，樣品總是需要用液氦冷卻到低溫。因此，我們找到了一個不含液體制冷劑（干式）的磁鐵供應商。這種磁鐵體積小，重量輕，可以產生1.2特斯拉的高磁場，但尺寸和重量只有130公斤左右。與使用液氦不同，新產品使用了冷頭和氦氣壓縮機（這實際上是一個冰箱），可以在封閉循環(huán)中實現(xiàn)低溫。這一點至關重要，因為獲得液氦變得越來越困難。”

Maly總結道：“Spectrum提供的5年質保增強了我們的信心，因為這些產品都是EPR光譜儀所使用的關鍵部件。在設置設備方面，Spectrum的技術支持也是一流的。如果我們的客戶在使用產品中出現(xiàn)任何問題，我們知道Spectrum將使我們可以信賴的合作伙伴。”