주요 콘텐츠로 건너뛰기
Search

전자 상자성 공명 (EPR)

관련 제품 : MFLI

응용기술 설명

EPR Application Setup using the Zurich Instruments MFLI Lock-in Amplifier

전자 상자성 공명 (Electron paramagnetic resonance - EPR) 또는 전자 스핀 공명 (electron spin resonance - ESR)은 상자성 종의 전자 구조에 대한 가장 유용한 기술 중 하나입니다. EPR 분광법은 특히 스핀 밀도가 높은 (바이오) 화학 시스템의 조사 및 환경과의 상호작용에 적합합니다. 이러한 시스템을 위해 EPR은 구조와 역학에 대한 정보를 제공하며 화학, 물리학 및 생물학에서 널리 사용됩니다.

EPR 측정은 일반적으로 연속파 (continuous-wave - cw) 또는 펄스 모드 (pulsed mode) 에서 수행됩니다. cwEPR spectrometer (이미지 참조)는 약 3500 G (0.35 T)의 자기장을 적용하고, 9-10 GHz 영역 (X-Band)에서 마이크로파 흡수(absorption)를 측정합니다. 일반적으로, 마이크로파는 고정된 주파수로 유지되고 자기장은 스위프됩니다 (X-Band의 경우, 0 mT - 700 mT).

Graph of an EPR

이 그림의 왼쪽 부분은, 마이크로파 디텍터로 감지된 일반적인 신호를 보여줍니다. 일반적인 100 kHz 주파수의 작은 추가 진동 자기장을 적용하면, 락인(lock-in) 디텍션을 사용하여 감도를 개선하고, 위상 정보를 추출하는 기능이 추가됩니다. 그 결과 신호는 그림의 오른쪽 부분에 표시된 것처럼 흡수의 1 차 도함수입니다.

측정 전략

짧은 수집 시간 내에 높은 분해능을 달성하려면, 세 가지 파라미터 기반의 균형에 도달해야 합니다 : 변조 주파수, 변조 진폭, 락인(lock-in) 필터 대역폭

첫째, 스펙트럼 분해능은 신호 대 잡음비(SNR)와 스펙트럼 왜곡에 따라 달라지며, 이는 모두 자기장 변조의 진폭에 영향을 받습니다. 큰 변조 진폭은 신호 강도의 증가에 따라 SNR을 증가시킵니다. 그러나 큰 진폭에서는 감지된 EPR 신호가 넓어지고 왜곡되어 근접 라인을 분해할 수 없으므로 분해능이 감소합니다. 높은 변조 주파수를 사용하고 스핀 이완 속도가 너무 느려 자기장의 빠른 변화를 따르지 못할 때도 유사한 왜곡 효과가 적용됩니다.

더욱이, SNR과 스펙트럼 분해능은 변조 주파수에 직접적으로 의존합니다. 이는 락인디텍션의 결과로서,  락인(lock-in) 디텍션의 원리 백서에 자세히 설명되어 있습니다. 높은 변조 주파수는 높은 SNR을 발생시키지만, 위에서 설명한 것처럼 스펙트럼 왜곡도 유발합니다.

마지막으로, 락인 디텍션에 사용되는 필터 대역폭은 SNR과 취득시간(acquisition time)에도 영향을 미칩니다. 필터 대역폭이 좁으면 SNR이 높지만, 좁은 필터 대역폭은 긴 안정화 시간이 필요하기 때문에, 자기장 스위프의 각 단계에서 취득시간이 느려집니다. 높은 SNR을 달성하는 또 다른 방법은 평균화(SNR이 평균화 시간에 비례한다는 점을 기억) 및 빠른 안정화 시간과 빠른 취득 시간을 가지는 넓은 필터 대역폭을 사용하는 것입니다. 안정적인 실험실 환경에서 안정적인 분광계를 사용하는 경우, 큰 필터 대역폭을 사용한 신호 평균화와 낮은 필터 대역폭의 적은 평균값은 동일합니다. 실제로는, 신호 드리프트를 고려해야 합니다. 이를 위해서는 필터 대역폭과 평균화 시간 간에 적절한 균형점을 찾아야 합니다.

다음 표는 분해능 및 취득 시간에 대한 매개 변수와 그 영향을 요약합니다.

  SNR spectral distortion time constant acquisition time
modulation amplitude small low small X X
modulation amplitude large high large X X
modulation frequency low low small X X
modulation frequency high high large X X
filter bandwidth low high X large slow
filter bandwidth high low X small fast

X = no effect (효과없음)

이상적인 cwEPR 측정에는 변조 진폭과 주파수뿐 아니라 필터 대역폭과 평균 수를 신중하게 조정해야 합니다. 이러한 중요한 조정을 위해, EPR 사용자는 이러한 파라미터를 완벽하게 제어하는 계측기가 필요합니니다. 동시에 SNR 및 스펙트럼 분해능을 판단하기 위한, 시간 및 주파수 영역의 신호를 분석하는 도구를 제공할 수 있는 계측기가 필요할 것입니다.

취리히인스트루먼트 선택의 이점

이상적인 cwEPR 측정에 대한 요구 사항을 고려할 때, Zurich Instruments MFLI 500 kHz 락인앰플리파이어(잠금증폭기)는 cwEPR과 완벽하게 일치합니다.

  • 작은 시상수(time constant)와 낮은 입력 전압 잡음은, 짧은 취득 시간을 가능하게 합니다.
  • 모든 브라우저를 통해 액세스 할 수 있는 웹 인터페이스를 통해, 측정을 완벽하게 제어할 수 있습니다.
  • LabOne® 플로터 및 스펙트럼 분석기 도구를 사용하여, 모든 관련 시간 도메인 및 주파수 도메인 신호를 관찰하고 기록합니다.
  • 측정을 기록하는데 추가 디지타이저 카드가 필요하지 않으므로, 설정을 단순화하고 높은 수준의 통합을 즐길 수 있습니다. MFLI는 USB 또는 1 GbE 연결을 통해 빠르게 디지털 데이터를 전송합니다.
  • 계측기의 보조 출력은 자기장 또는 마이크로파를 스위프하는 데 사용할 수 있습니다. 사용 가능한 많은 API (Python, C, MATLAB®, LabVIEW™ 및 .NET)와 함께, MFLI를 기존 cwEPR 분광기 셋업에 쉽게 통합할 수 있습니다.

상세 내용 문의   견적요청

Application Notes

Zurich Instruments

Principles of lock-in detection and the state of the art

문의하기