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Philipp Emanuel Spindler

• Pulsed Electron Paramagnetic Resonance (EPR) spectroscopy is the most powerful tool to investigate structural properties and dynamics of paramagnetic substances. Up to date the electron spin is almost exclusively manipulated by rectangular shaped microwave pulses generated with switches. These pulses are unselective which means they excite outside their nominal bandwidth which is in most cases shallow compared to the overall spectral width of the spin system. Shaped pulses which are widely applied in NMR promise higher bandwidth and selectivity. The use of amplitude and phase modulated pulses was not possible for EPR due to the three orders of magnitude faster timescale compared to NMR. In this work, for the first time, an AWG (arbitrary waveform generator) operating with a 1 ns time resolution and 14 bit amplitude resolution was implemented into a commercial Bruker pulsed EPR spectrometer. First results were obtained with broadband excitation pulses derived by optimum control theory (OCT). The OCT-pulse used excites transverse magnetization with 98% efficiency over a more than four times larger bandwidth than common rectangular pulse generating the same 1 B field. The benefit of such a pulse was demonstrated for magnitude FT-EPR spectroscopy on organic radicals in liquid phase. Due to Spectrometer deadtime an FID cannot be observed for most inhomogeneous spin systems. For that reason prefocused pulses have been evaluated for their applicability to EPR spectroscopy. OCT-derived prefocused pulses can be understood as a compact Hahn Echo sequence in one monolithic pulse. Here, two problems have been encountered. 1) The limited bandwidth of the active and passive microwave components in the excitation path as well as microwave resonator cause linear distortions of the pulse shape which results in inferior pulse performance. This could be circumvented by measuring the impulse response function of the whole spin excitation path and including this information in the pulse optimization procedure. 2) Anisotropic hyperfine interaction which was not taken into account during the pulse optimization also caused efficiency losses. PELDOR spectroscopy is a valuable tool to measure distance distributions between two or more paramagnetic centers in the range from 2-8 nm. It is demonstrated that the S/N ratio of PELDOR experiments can be substantially increased by substituting the rectangular shaped pump pulse by an adiabatic inversion pulse. The damping of the dipolar oscillations introduced by the prolonged pump pulse towards shorter distances could be circumvented by introducing a second time reversed pump pulse. By substituting the refocused echo of the well-known 4-pulse PELDOR with a CPMG sequence the dipolar evolution time and thus the validity of PELDOR experiments would be increased. To achieve the maximum dipolar evolution time in a CPMG PELDOR for each refocusing pulse one pump pulse has to be applied. This could only be achieved with the new adiabatic inversion pulses since multiple inversions with efficiency close to one are not possible with rectangular pulses. Even with adiabatic pump pulses a reduced efficiency was observed due to hardware limitations thus limiting the sequence to three refocusing pulses. An iterative method was developed to remove the residual dipolar signals attributed to the reduced inversion efficiency. The new 7-pulse CPMG PELDOR sequence enabled measuring reliable distance distributions between the protomers of the trimeric betaine transporter BetP. With these it could be shown that the asymmetries found for the 2 and 3-dimensional crystal structures are even larger in frozen detergent.
• Für die bis dato ausschließlich üblichen rechteckförmigen Anregungspulse in der gepulsten ESR (Elektronen Spin Resonanz) -Spektroskopie korreliert die nutzbare Anregungsbandbreite direkt mit dem erzeugbaren Feld. In den meisten Fällen hat man es mit paramagnetischen Spezies zu tun, deren spektrale Breite bei weitem die Anregungsbandbreite der zur Verfügung stehenden Mikrowellenpulse übertrifft. Dies ist begründet mit der vor allem zu hohen Frequenzen hin sehr begrenzten Mikrowellenleistung, die nur Pulse zulässt, deren anregendes Feld wesentlich geringer ist als die spektrale Breite der untersuchten paramagnetischen Spezies. Im Rahmen dieser Arbeit wurden erstmalig amplituden- und phasenmodulierte Mikrowellenpulse in der gepulsten ESR Spektroskopie eingesetzt, um sowohl die Anregungsbandbreite, Effizienz und Selektivität gegenüber rechteckförmigen Pulsen zu erhöhen. Der Pulsformer, welcher zum Einsatz kam, ist aus einem schnellen 2-kanaligen digital-analog Wandler aufgebaut, welcher eine Auflösung von 14 bit bei einer Taktrate von 1 GHz bietet. Mittels zweier IQ Modulatoren ist es möglich, Mikrowellenpulse im S-Band (2-4 GHz) sowie im X-Band (8-12 GHz) sowohl in Amplitude als auch in der Phase im Zeitbereich zu modulieren. Die hier präsentierten Ergebnisse wurden an einem kommerziellen BRUKER E580 Puls-ESR Spektrometer erzielt, in welches der Pulsformer implementiert wurde. Zu einem wesentlichen Teil besteht die vorliegende Arbeit aus Vergleichen von für die EPR neuen Anregungsschemas mit den konventionellen rechteckförmigen Pulsen gleicher Mikrowellenleistung. Die am Ende vorgestellte Symbiose aus PELDOR Spektroskopie mit einer CPMG Beobachtungs-Sequenz ist jedoch erst durch die für die ESR-Spektroskopie neuen Pulse möglich geworden. In Kapitel 6.1 geht es um breitbandige Anregung transversaler Magnetisierung. Die gezeigten Anregungsspektren wurden mit einer sehr schmalbandigen Perylen Probe erstellt, die es erlaubte, durch Variation des -Feldes das Anregungsprofil abzutasten. Es konnte gezeigt werden, dass ein mittels Optimum Control Theory (OCT) optimierter Puls über einen Bereich von 200 MHz in der Lage ist, thermische Gleichgewichtsmagnetisierung zu 98% in Transversalmagnetisierung zu überführen. Das Signal eines rechteckförmigen 90° Pulses, der die gleiche Mikrowellenleistung zur Verfügung hat, ist schon bei 25 MHz Offset um die Hälfte abgesunken. Diese eindrucksvolle Zunahme an Bandbreite wurde dann mittels flüssig Phasen Fourier-Transform ESR an dem Radikal Phenalylen demonstriert, wo der OCT Puls auch off-resonant eingestrahlt das Spektrum mit richtigen Amplitudenverhältnissen wiedergab und der rechteckförmige Puls in dieser Beziehung völlig versagte. Bei der Arbeit mit pre- fokussierenden Pulsen, die als eine monolithische Hahn Echo Sequenz in einem OCT Puls gesehen werden können, tauchten sowohl Limitierungen durch Hardware als auch Artefakte verursacht durch anisotrope Kopplungen, die bei der Pulsoptimierung nicht berücksichtigt wurden, auf. Die linearen Verzerrungen der Pulsform durch die bandbreitenlimitierte Elektronik und den Mikrowellenresonator wurden erfasst und in die Pulsoptimierung miteinbezogen. Dazu wurde mit einer Sonde die Antwort auf eine pseudostochastische Sequenz gemessen, aus der die Impulsantwort des gesamten Anregungszweiges extrahiert werden konnte. PELDOR Spektroskopie ermöglicht Abstände zwischen zwei oder mehr paramagnetischen Zentren, die zwischen 2 und 8 nm voneinander entfernt sind, zu bestimmen. Hierbei wird der sog. A-Spin mit einer Echo-Sequenz beobachtet und der zu ihm gekoppelte B-Spin mit einem zeitlich inkrementierten Mikrowellenpuls anderer Frequenz invertiert. Das Echo ist mit der Frequenz der dipolaren Kopplungsstärke moduliert, aus welcher direkt auf den Abstand geschlossen werden kann. Die Modulationstiefe ist direkt proportional zur Menge an B-spins die der Pump-Puls invertiert. Limitierend ist auch hier die Bandbreite und Inversionseffizienz des Pumppulses. In Kapitel 6.2 ist dargestellt, wie die Modulationstiefe und damit das Signal-zu-Rausch Verhältnis von PELDOR Experimenten durch den Einsatz speziell optimierter adiabatischer Inversionspulse verbessert werden kann. Für den Fall eines Biradikals mit einem Abstand von 3.4 nm zwischen den zwei Nitroxyd-gruppen konnte die Modulationstiefe und damit das S/R-Verhältnis durch einen modifizierten sech/tanh Pump-Puls um einen Faktor größer 2 verbessert werden.