Kernspinresonanz (NMR)

Anwendungen der NMR-Spektroskopie

Die NMR-Spektroskopie ist eine zerstörungsfreie und nicht-invasive Technik, die zur Bestimmung der Struktur und Dynamik von Molekülen eingesetzt wird. Die Anwendungen der NMR sind vielfältig und umfassen die folgenden Forschungsbereiche und Branchen:

• In der Biologie wird die NMR zur Untersuchung von Makromolekülen wie Proteinen, Lipiden und Nukleinsäuren eingesetzt. ¹³C, ¹H, ¹⁵N, ³¹P, ²³Na, und ¹⁹F sind die biologisch relevantesten NMR-aktiven Kerne, die zum Verständnis biochemischer Vorgänge im Aminosäure-, Lipid- und Kohlenhydratstoffwechsel verwendet werden.
• In der Chemie wird sie in großem Umfang sowohl für die qualitative als auch für die quantitative Analyse zur Überwachung von Reaktionen, zur Identifizierung von Strukturen und zur Beurteilung der Reinheit eingesetzt.
• In der Polymerwissenschaft zur Analyse des Monomerverhältnisses, des Molekulargewichts, der Taktizität, der Sequenzierung, der Kettenlänge und der Verzweigung sowie zur Bestimmung der Endgruppen.
• In der Pharmaindustrie zur Bestimmung der Reinheit und Menge von Wirkstoffen, Hilfsstoffen und Verunreinigungen in pharmazeutischen Produkten
• In der Erdölindustrie zur Bewertung der Kohlenwasserstoffe von Rohöl und dessen Produkten.
• In der Medizin ist die Magnetresonanztomographie (MRT) eine Anwendung der NMR für die Analyse von Weichteilen, um geschädigtes oder krankes Gewebe zu identifizieren.

Grundsätze der NMR-Spektroskopie

Der Kernspin hängt mit der Zusammensetzung des Kerns eines Elements zusammen. Kerne mit einer geraden Anzahl von Protonen und Neutronen haben einen Kernspin von 0 und können nicht mit NMR untersucht werden (z. B. ⁴He,¹²C,¹⁶O). Kerne mit einer ungeraden Anzahl von Protonen und/oder Neutronen haben einen Kernspin und können NMR erfahren (z. B. ¹H, ²H, ¹⁴N, ¹⁷O). Diese Kerne verhalten sich wie winzige rotierende Magnete und können mit einem äußeren Magnetfeld wechselwirken. Spinnende Kerne erzeugen auch ihr eigenes Magnetfeld, das mit anderen Kernen mit Spin wechselwirken kann.

Ein NMR-Gerät misst die Wechselwirkung von Kernspinzuständen unter dem Einfluss eines starken Magnetfeldes. Das Magnetfeld bewirkt, dass Kerne wie ein Kreisel präzessieren (rotieren). Ein präzessierender Kern absorbiert selektiv Energie von Hochfrequenzwellen, wenn die Frequenz des präzessierenden Kerns mit der niedrigen äußeren Frequenz der Hochfrequenzwellen übereinstimmt, die mit ihm wechselwirken. Wenn diese Absorption auftritt, spricht man von einer "Resonanz" zwischen dem präzessiven Kern und den Hochfrequenzwellen, daher der Begriff Kernspinresonanz. Die Resonanz kann erzeugt werden, indem die Frequenz der Kerne auf die Festfrequenz der Radiowellen abgestimmt wird oder indem die Frequenz der Radiowellen auf die der Kerne abgestimmt wird.

Bei der NMR regt ein angelegtes Magnetfeld Kerne mit unterschiedlichen magnetischen Momenten auf verschiedenen Energieniveaus an. Nach Absorption einer charakteristischen Radiofrequenz kehren die angeregten Kerne in niedrigere Energiezustände zurück, indem sie Energie an die Umgebung abgeben. Wenn Energie an andere Atome oder das Lösungsmittel übertragen wird, nennt man den Relaxationsprozess "Spin-Gitter-Relaxation". Wird Energie auf benachbarte Kerne auf demselben Energieniveau übertragen, wird der Prozess als "Spin-Spin-Relaxation" bezeichnet. Diese beiden Relaxationsprozesse werden durch Zeitkonstanten charakterisiert: Spin-Gitter-Relaxationszeit (T₁) und Spin-Spin-Relaxationszeit (T₂), die für das resultierende NMR-Spektrum verantwortlich sind.

Charakteristika eines NMR-Spektrums

Ein NMR-Spektrum ist ein Diagramm der angelegten Hochfrequenz gegen die Absorption. Die Position auf dem Diagramm, an der der Kern absorbiert, wird als chemische Verschiebung bezeichnet. Die chemische Verschiebung wird von der Elektronendichte um den Kern herum beeinflusst. Ist ein Kern von einer hohen Elektronendichte umgeben, wird er vom äußeren Magnetfeld abgeschirmt, wodurch sich die Signale im NMR-Spektrum nach oben verschieben. Wenn ein Kern von einem elektronegativen Atom umgeben ist, wird die Elektronendichte um den Kern entfernt, was zu einem "Abschirmungseffekt" führt. Dadurch verschiebt sich das Signal in einem NMR-Spektrum nach unten. Der Spin benachbarter Kerne wirkt sich ebenfalls auf die Signale in einem NMR-Spektrum aus und kann zu einer Aufspaltung des NMR-Signals führen, die als "Spin-Spin-Kopplung" bezeichnet wird.