Kernspinresonanzspektroskopie

NMR, kurz für Kernmagnetische Resonanz, aus dem Englischen für "Nuclear Magnetic Resonance".

Die NMR wird heute für folgende Aufgaben verwendet:

• analytische Chemie: Zum nichtzerstörenden Nachweis von Inhaltsstoffen einer Probe;
• Strukturchemie: Zur Bestimmung von Molekülstrukturen (organische Chemie oder Biochemie)
• Physik: Zur Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Atomen (Kern-Kern-Wechselwirkungen)
• Physik: Zur Untersuchung der magnetischen Feldverteilung in Festkörpern
• Bildgebung: Zur Untersuchung der Dichteverteilung eines Atomes in einem Körper (z.B. in der Medizin, Kernspintomographie)

Funktionsprinzip

Die Probe mit der zu untersuchenden Atomkernsorte (meist die Kerne des Wasserstoffatoms 1H) wird in ein äußeres Magnetfeld gegeben. Man unterscheidet zwischen NMR in hohen Magnetfeldern im Tesla-Bereich und niedrigen Magnetfeldern im Mikrotesla-Bereich (z.B. dem Erdmagnetfeld). Die entsprechenden Resonanzfrequenzen für den Wasserstoffkern 1H liegen damit in der Praxis zwischen ca. 900 MHz bei 21.1 Tesla und ca. 2 kHz im Erdmagnetfeld.

Liegt ein externes Magnetfeld an (in z-Richtung), richten sich die Kernspins nach diesem Magnetfeld aus, da sie dann die geringste potentielle Energie besitzen. Dies ist der selbe Mechanismus, der auch eine Kompassnadel zum Nordpol zeigen läßt. Durch die thermische Energie der Atome sind die Kernspins aber nicht alle gleich ausgerichtet. Die Spins sind nach der Boltzmannverteilung ausgerichtet, mit einer Vorzugsrichtung parallel zum Magnetfeld. Damit ergibt sich eine durchschnittliche Magnetisierung, die aufgrund der Boltzmann-Verteilung sehr klein ist.

In der x/y-Ebene sind eine oder mehrere Spulen angeordnet, mit denen auf die Probe elektromagnetische Wechselfelder eingestrahlt werden (Sendespule) oder mit denen solche Felder empfangen werden (Empfangsspule). Im häufigsten Falle dient eine einzige Spule in x-Richtung als Sende- und Empfangsspule.

Durch die Sendespule wird ein starkes, kurzes Magnetfeld (beim Puls-Verfahren; das CW-Verfahren funktioniert ähnlich) aufgebaut, welches senkrecht zum externen Magnetfeld liegt. Die Spins richten sich an dem neuen Magnetfeld aus und kippen in die x/y-Ebene. Wird die Sendespule ausgeschaltet, liegt wieder das normale Magnetfeld vor. In diesem Magnetfeld präzedieren die Spins mit der Larmorfrequenz, bis sich diese nach einer Relaxationszeit wieder nach dem Magnetfeld ausrichten.

Die präzedierenden Spins induzieren in der Empfangsspule eine Wechselspannung mit der Larmorfrequenz, die dann analysiert wird.

Mit Hilfe der NMR lassen sich mit einem Aufbau verschiedene stoffspezifische Größen bestimmen.

Experimentelle Verfahren

In der NMR gibt es zwei wesentliche Verfahren:

CW-Verfahren

Bei dem CW-Verfahren (continuous wave) wirde die eingestrahlte Radiofrequenz langsam durchgestimmt und die Absorption der Strahlung gemessen. Man arbeitet in der Frequenzdomäne und erhält zunächst ein Absorptionsspektrum als Funktion der Frequenz.

Mit dem CW-Verfahren wird die Probe mit einem extrem schmalen Signal angeregt.

Puls-Verfahren

Hierbei wird ein einzelner Radiofrequenzimpuls (RF-Puls) oder auch eine Serie solcher elektromagnetischer RF-Pulse auf die Probe gesandt, die sich in der Spule befindet. Da der kurze Puls relativ breitbandig ist, werden mit einem Puls viele einzelne Resonanzen angeregt.

Das Signal, der freie Induktionsabfall (englisch: free induction decay, FID) nach einem Puls oder das Spin-Echo nach zwei oder mehreren Impulsen, wird als Funktion der Zeit registriert, man arbeitet in der "Zeitdomäne". Mittels einer mathematischen Operation, der "Fourier-Transformation" (FT), die in der Praxis ein Computer durchführt, wird das Zeitsignal in ein Spektrum umgewandelt. Das Verfahren wird als FT-Spektroskopie bezeichnet und wird auch in anderen Spektroskopiearten, wie z.B. IR, Massenspektrometrie, ESR angewendet.

Nicht zuletzt aufgrund der hohen Zeitersparnis, die man in ein Signal / Rausch-Gewinn umwandelt, hat das Puls-Verfahren das CW-Verfahren heute weitgehend abgelöst.

Experimentelle Größen

Mit der selben Apparatur lassen sich verschiedene Größen messen, die Rückschlüsse auf die Stoffe geben:

• Die Larmorfrequenz des Atoms ist stark von dem lokalen Magnetfeld abhängig. Da alle Atome unterschiedliche Magnetfelder besitzen, ist die Larmourfrequenz des untersuchten Atoms stark von der chemischen Umgebung und von der Bindung abhängig. Durch die Bestimmung der daraus resultierenden chemischen Verschiebung lassen sich Rückschlüsse auf die Bindungspartner und Arten der Bindungen ziehen.

• Die Intensität und Intensitätsverteilung mehrerer Resonanzen erlaubt Rückschlüsse auf die Dichte des Atomes mit einer bestimmten chemischen Verschiebung in der Probe.

Einschränkungen

Durch die Boltzmannverteilung tragen nur wenige Spins zur Magnetisierung und damit zum messbaren Signal bei. Deswegen sind konventionelle NMR-Messungen nur für Flüssigkeiten oder Festkörper ausgelegt. Für vernünftige Messungen an einer Atomsorte ist mindestens 1 mol notwendig. Aufgrund dieser Beschränkung werden NMR-Messungen am häufigsten mit Wasserstoff-Atomen durchgeführt.

Historische Entwicklung

Die NMR wurde 1946 unabhängig von Felix Bloch und Edward Mills Purcell beschrieben, wofür sie 1952 den Nobelpreis für Physik bekamen.

Die Entwicklung der NMR als Untersuchungsmethode der analytischen Chemie und Biochemie verlief weitgehend parallel zur Entwicklung der elektromagnetischen Technik. Purcell war im 2. Weltkrieg an der Entwicklung des Radars am MIT beteiligt und forschte insbesondere an der Detektion von elektromagnetischer Energie und deren Absorption durch Materie. Diese Arbeiten halfen später, die Hintergründe der NMR besser zu verstehen.

In den nächsten Jahrzehnten wurde hauptsächlich die CW-Methode (continuous wave) benutzt, indem in einem äußeren festen Magnetfeld ein Hochfrequenzfeld eingestreut wurde, deren Frequenz einen bestimmten Bereich durchlief, wodurch die einzelnen Resonanzen durchfahren wurden. Diese Technik war durch ihr schlechtes Signal-zu-Rausch-Verhältnis gekennzeichnet.

Durch Mittelung kann allerdings das Signal-zu-Rausch-Verhältnis wesentlich verbessert werden. Später ermöglichte der Einsatz von Computern die Verwendung der Fourier-Transformation, insbesondere der Fast-Fourier-Transformation (FFT), mit der gleichzeitig viele Resonanzfrequenzen analytisch zugänglich wurden.

Dieses Verfahren (FT-NMR) wurde zuerst von Richard R. Ernst verwendet. In das externe Magnetfeld wird ein möglichst kurzer elektromagnetischer Puls eingestrahlt. Je kürzer der Puls ist, desto mehr Frequenzanteile sind darin enthalten und können damit angeregt werden (siehe hierzu Fourier-Transformation). Mittels Detektoren wird dann der Zerfall dieser angeregten Zustände aufgenommen (freier Induktionszerfall, nach dem englischen free induction decay, mit FID abgekürzt). Nach Transformation dieses Zeit-Signals in die Frequenzdomäne sind die Frequenzen der angeregten Zustände zugänglich.

Die Verwendung von unterschiedlichen Pulsformen, Frequenzen und Dauern ermöglicht dieser Technik eine große Flexibilität.

Später wurde dieses Verfahren durch die Verwendung mehrerer Pulse hintereinander zu einer zweidimensionalen und höherdimensionalen NMR ausgebaut. Dabei wird als zweite Dimension die Zeitdauer zwischen dem ersten und zweiten Puls verwendet. Werden mehr als zwei Pulse verwendet, dann ergeben sich die weiteren Koordinaten als Zeiten zwischen den Pulsen.

Diese Zeitintervalle ermöglichen unter anderem einen Transfer von Magnetisierung zwischen Atomkernen. Damit können die Kern-Kern-Wechselwirkungen untersucht werden.

Kurt Wüthrich, Ad Bax, Vladimir Sklenar und viele andere bauten diese 2D- und Multi-Dimensions-NMR zu einer mächtigen Analysetechnik der Biochemie aus, insbesondere zur Analyse von Biopolymeren wie Proteinen. Wüthrich bekam für diese Arbeiten 2002 den Nobelpreis in Chemie. Diese Technik wird als Ergänzung der Röntgenstrukturanalyse eingesetzt, da NMR besonders bei Biomolekülen in flüssiger oder flüssig-kristalliner Form eingesetzt werden kann, während die Röntgenstrukturanalyse nur für kristalline Materialien geeignet ist.

Da die Stärke des NMR-Signals und der Detektionsmöglichkeiten stark vom Magnetfeld abhängt, begünstigte diese Technik die Entwicklung von großen und homogenen Magneten.