9.2: ОЛЕНЬ
Чотирьохімпульсний експеримент DEER
Найбільш часто використовуваним експериментом для вимірювань розподілу відстані в нанометровому діапазоні є чотириімпульсний подвійний електронний резонанс (DEER) експеримент (рис. 9.2), який іноді також називають імпульсним електронним подвійним резонансом (PELDOR) експеримент. Всі взаємодії спіна спостерігача перефокусуються двічі двомаπ імпульсами в рази2τ1 і2τ1+2τ2 після початковогоπ/2 імпульсу. Повторна перефокусування необхідна, оскільки всі спінові пакети повинні перебувати в фазі,t=0 а перекриттяπ імпульсу насоса з імпульсомπ/2 спостерігача призведе до спотворення сигналу. Перша перефокусування з інтерімпульсною затримкоюτ1 відновлює ситуацію (1) відразу післяπ/2 імпульсу з фазоюx, де вектори намагніченості всіх спінових пакетів вирівняні з−y віссю. \({ }^{1}\)На практиці когерентність збуджується на обох спінових переходах спостерігача (синій колір в панелах енергетичного рівня), але для наочності розглядаємо тільки спінову когерентність спостерігача, яка знаходиться на верхньому переході і символізується хвилястою лінією в панелі (1).
Протягом часуt після першої перефокусування вектори намагніченості спінових пакетів з різним резонансним зміщенням дефази (панель (2)). Тільки резонансний спіновий пакет, позначений темно-синім кольором, все ще вирівнюється з−y напрямком. Імпульс насоса перевертає партнера зчеплення і таким чином передає когерентність на нижній спіновий перехід спостерігача. Резонансна частота цього переходу зміщується дипольно-дипольної зв'язкоюd у всіх спінових пакетах. Спінова намагніченість спостерігача додатково дефазується до моменту безпосередньо перед застосуванням другогоπ імпульсу спостерігача (3)) і, крім того, весь пучок векторів намагніченості спінових пакетів переступає проти годинникової стрілки зі зсувом частотиd. Таким чином, спочатку он-резонансний спіновий пакет отримує фазуd(τ2−t) перед тим, як буде застосовано другийπ імпульс спостерігача. Другийπ імпульс спостерігача з фазоюx відповідає180∘ обертанню навколоx осі. Це відображає пучок векторів намагніченості щодоy осі, інвертуючи фазу спостерігача спінової когерентності (панель (4)). Пучок, який все ще перегинається проти годинникової стрілки з кутовою частотою,d тепер відстає від+y осі за фазоюd(τ2−t). Під час остаточної інтерпульсної затримки довжиниτ2 пучок в цілому набирає фазуdτ2 (сіра стрілка на панелі (4) і одночасно перебудовується вздовж його центру за рахунок перефокусування луни. Однак центр, відповідний спочатку он-резонансному спіновому пакету, не закінчується вздовж+y, як це було б при відсутності імпульсу насоса. Швидше, цей спіновий пакет отримав фазуdt щодо+y напрямку (панель (5)). Векторна складова намагніченості уздовж+y, яка відповідає ехо-сигналу, задається шляхомcos(dt).

Діапазон відстані експерименту DEER обмежений в сторону коротких відстаней вимогою, що для перефокусування відлуння імпульси спостерігача повинні збуджувати обидва переходи спостерігачів, які розділені наd і, для передачі когерентності, імпульс насоса повинен збуджувати обидва переходи зв'язку партнера, які також розщеплюютьсяd. Іншими словами, як спостерігач перефокусованої ехо-підпослідовності, так і імпульс насоса повинні мати пропускну здатність збудження, яка перевищуєd. Ця вимога встановлює нижню1.8 nm межу відстані приблизно на частотах X-діапазону та приблизно1.5 nm на частотахQ -діапазону. Виникає межа на великі відстані, оскільки для виведення ширини або навіть форми розподілу відстані потрібно спостерігати кілька диполярних коливань, і для визначення середньої відстані потрібно спостерігати принаймні одне коливання. Для цього потрібноt>2π/d. З іншого боку, у нас єt<τ2 і фіксована інтерпульсна затримкаτ2 не може бути набагато довшою, ніж час поперечної релаксаціїT2, оскільки в іншому випадку когерентність повністю розслаблена і відлуння не спостерігається. Час поперечної релаксації електронного спіна становить близько декількох мікросекунд. Залежно від типу вибірки (див. Розділ9.1.2),τ2 можуть бути1.5 обрані між і20μs, що відповідають максимальним спостережуваним відстаням між 5 і12 nm.
Вимоги до зразків
У бажаному шляху передачі когерентності експерименту DEER імпульси спостерігача виключно збуджують спини спостерігача, а імпульс насоса виключно збуджує партнера зчеплення. Смуга пропускання збудження повинна бути досить великою, щоб охоплювати дипольно-дипольну муфтуd на всіх орієнтаціях, тобто більше, ніжω‖−2ω⊥. Якщо два з'єднані спини мають однаковий спектр ЕПР, цей спектр повинен бути ширшим, ніж удвічі перевищує мінімальну пропускну здатність збудження. Ця умова виконується для нітроксидних спінових міток (Глава 10) та іонів перехідних металів на всіх частотах EPR, тоді як деякі органічні радикали, такі як тритилові радикали, мають занадто вузькі спектри на частотах X-діапазону або навіть Q-діапазону. Крім того,T2 повинен бути досить довгим, щоб принаймні спостерігач обертався. Ця умова може бути виконана майже для всіхS=1/2 видів при температурах10 K (комплекси перехідних металів) або50⋯80 K (органічні радикали), але може вимагати охолодження нижче4.2 K для деяких видів з високим спіном. Для високошвидкісних видів з напівзаповненою валентною оболонкою, таких як Mn (II)(S=5/2) абоGd(III)(S=7/2)10 K вимірювальні температури також достатні.
Концентрація зразка повинна бути досить низькою, щоб міжмолекулярні відстані були набагато більшими за внутрішньомолекулярні відстані. Для коротких відстаней200μM можливі концентрації до, але концентрації10⋯50μM забезпечують кращі результати, якщо спектрометр з достатньою чутливістю доступний. Залежно від відстані іT2, вимірювання можуть бути виконані аж до концентрації10⋯1μM. Для мембранних білків, відновлених у ліпосоми, якість даних є не тільки функцією об'ємної концентрації спина, але і співвідношення ліпідів до білка. Цей параметр потрібно оптимізувати під кожен новий білок. Необхідний обсяг вибірки коливається між кількома мікролітрами (частоти W-діапазону) і150μL50μL при частотах Q-діапазону, як правило, є оптимальними.
Якщо концентрація не надто висока і може бути досягнута низькотемпературна межа поперечної релаксації,T2 залежить від концентрації та типу протонів навколо спіна спостерігача. Повторення розчинника і кріопротектора (зазвичай гліцерину) зазвичай різко покращують якість даних. Якщо матриця може бути пердейтрована, дейтерація білка або ядер кислоти може ще більше продовжитиT2 і розширити діапазон відстані або поліпшити співвідношення сигнал/шум.
Ускладнення виникають, якщо в одній молекулі виявлено більше двох непарних електронів, але ці ускладнення зазвичай можна вирішити. Однак жодна з спінових пар не повинна мати відстань, меншу за нижню межу доступного діапазону відстані.
1 Це передбачає, щоπ імпульс спостерігача має фазуy. Якщо він має фазуx, вектор намагніченості знаходиться уздовж\(+y\) після першої перефокусування і всі наступні панелі намагніченості дзеркальні щодо\(x\) осі.