mini|Der Magnet eines 300-MHz-NMR-Spektrometers
Die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie von ) ist eine spektroskopische Methode zur Untersuchung der elektronischen Umgebung einzelner Atome und der Wechselwirkungen mit den Nachbaratomen. Dies ermöglicht die Aufklärung der Struktur und der Dynamik von Molekülen sowie Konzentrationsbestimmungen.
Die Methode beruht auf der magnetischen Kernresonanz, einer resonanten Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Moment von Atomkernen der Probe, die sich in einem starken statischen Magnetfeld befindet, mit einem hochfrequenten magnetischen Wechselfeld. Es sind nur solche Nuklide der Spektroskopie zugänglich, die im Grundzustand einen von Null verschiedenen Kernspin und damit ein magnetisches Moment besitzen, zum Beispiel 1H; 2H (D); 6Li; 10B; 11B; 13C; 15N; 17O; 19F; 31P und 43Ca.
Geschichte mini|Felix Bloch (1961)
Zur Vorgeschichte der Kernspinresonanzspektroskopie siehe Geschichte und Entwicklung der Kernspinresonanz.
Felix Bloch und Edward Mills Purcell wiesen erstmals 1946 Signale der magnetischen Kernresonanz nach, wofür sie 1952 den Nobelpreis erhielten. In ihrem Nobelpreisvortrag zeigten sie erste Spektren mit dem Nachweis der chemischen Verschiebung (am Beispiel des Ethanol), womit die eigentliche Kernspinspektroskopie begann. Sie entwickelte sich zu einer wichtigen Methode in der chemischen Strukturaufklärung. Zunächst wurde hauptsächlich die Continuous-Wave-(CW)-Methode benutzt, bei der durch Variation der Frequenz oder des Feldes die Resonanzen nacheinander angeregt wurden. 1947 reichten Russell Varian und Felix Bloch ein Patent ein für das erste Kernspinresonanz-Spektrometer. Das erste kommerzielle Kernspinresonanz-Spektrometer baute 1952 die Firma Varian Associates in Palo Alto. Um 1955 baute die japanische Firma JEOL ebenfalls NMR-Spektrometer. Die US-amerikanische Biophysikerin Mildred Cohn setzte in den frühen 1960er Jahren die Kernspinresonanz-Spektroskopie zur Aufklärung metabolischer Prozesse auf molekularer Ebene ein.
mini|200px|Kurt Wüthrich (2012)
Da die CW-Technik durch ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis gekennzeichnet war, entwickelte ab Mitte der 1960er Jahre Richard R. Ernst (Nobelpreis für Chemie 1991) bei der Firma Varian ein Puls-Fourier-Transformation-NMR-Spektrometer (FT-NMR), das eine wesentlich schnellere Aufnahme der Spektren ermöglichte. Bei gleicher Messzeit bedeutete das im Vergleich zu den CW-Spektrometern eine wesentliche Steigerung der Empfindlichkeit und damit des Signal-Rausch-Verhältnisses. Bereits in den Jahren 1949 und 1950 waren von Hahn und Torrey die ersten Pulsverfahren untersucht worden.E. R. Andrew: Nuclear Magnetic Resonance. Cambridge at the University Press, 1958, S. 62. Die ersten kommerziellen Kernspinresonanz-Impulsspektrometer wurden Mitte der 1960er Jahre von der deutschen Firma BrukerC. Reinhardt, T. Steinhauser: Formierung einer wissenschaftlich-technischen Gemeinschaft. NMR-Spektroskopie in der Bundesrepublik Deutschland. In: NTM Zeitschrift für Geschichte der Wissenschaften, Technik und Medizin. 16, 2008, S. 73–101, doi:10.1007/s00048-007-0280-z. (gegründet von Günther Laukien, einem der NMR-Pioniere in Deutschland) in Karlsruhe von einer Gruppe um Bertold Knüttel und Manfred Holz gebaut. Es folgte die Einführung von Breitbandentkopplung und von Mehrpulsverfahren. Nach einer Idee von Jean Jeener wurden ab Anfang der 1970er Jahre Mehrpulsexperimente mit einer systematisch variierten Wartezeit zwischen zwei Pulsen entwickelt, die nach Fourier-Transformation über zwei Zeitbereiche zu zweidimensionalen Spektren führten.
Kurt Wüthrich und andere bauten diese 2D- und Multi-Dimensions-NMR zu einer bedeutenden Analysetechnik der Biochemie aus, insbesondere zur Strukturanalyse von Biopolymeren wie Proteinen. Wüthrich bekam für diese Arbeiten 2002 den Nobelpreis in Chemie.Nobelpreisvortrag von Wüthrich (PDF; 399 kB). Im Gegensatz zur Röntgenstrukturanalyse liefert die Kernspinresonanz-Spektroskopie Strukturen von Molekülen in Lösung. Von besonderer Bedeutung ist die Möglichkeit, detaillierte Informationen über die Moleküldynamik mit Hilfe von Relaxationsparametern zu gewinnen.
Physikalischer Hintergrund Quantenmechanische Grundlagen mini|Veranschaulichung der Präzession eines Atomspins um ein externes Magnetfeld
Teilchen und Atomkerne, die einen Kernspin besitzen, haben als rotierende Ladungsträger ein magnetisches Moment, das oft mit bezeichnet wird. Das magnetische Moment von Atomkernen kann in einem äußeren Magnetfeld nicht jede beliebige, sondern nur bestimmte, durch die Quantenmechanik beschriebene Orientierungen einnehmen. Die Zahl der möglichen Orientierungen wird durch die Kernspinquantenzahl bestimmt (siehe: Multiplizität). Zu jeder Kernspinquantenzahl existieren Orientierungen und jeder Orientierung ist eine magnetische Kernspinquantenzahl zugeordnet.
Beispiele:
Wasserstoff-Kern mit Kernspin : zwei Orientierungen mit und Deuterium-Kern mit Kernspin : drei Orientierungen mit , und
Ohne ein äußeres Magnetfeld sind die mit gekennzeichneten Zustände energetisch gleich (siehe Entartung (Quantenmechanik)). In Anwesenheit eines äußeren Magnetfeldes entstehen Energiedifferenzen (Zeeman-Effekt). Kernresonanz-Phänomene beruhen auf der Anregung von Kernspin-Übergängen zwischen solchen -Zuständen. Die dazu benötigte Energie ist proportional zur Stärke des äußeren Magnetfeldes und zum gyromagnetischen Verhältnis des betrachteten Atomkerns:
Diese Energie wird durch Einstrahlen von resonanten elektromagnetischen Wellen eingebracht. Die Resonanzfrequenz wird in der NMR-Spektroskopie als Larmor-Frequenz bezeichnet und liegt im Radiowellen-Bereich. Gängige NMR-Spektrometer arbeiten bei Protonen-Resonanzfrequenzen zwischen 300 und 1000 MHz, was Feldstärken zwischen 7 und 24 Tesla erfordert.
Wenn alle 1H- oder 13C-Atome die exakt gleiche Larmor-Frequenz hätten, wäre die NMR-Methode zur Strukturaufklärung wenig interessant. Tatsächlich hängen aber die Resonanzfrequenzen von den individuellen, atomar aktiven Magnetfeldern ab. Diese lokalen Magnetfelder können in ihrer Stärke vom Hauptmagnetfeld abweichen, beispielsweise durch den Einfluss der elektronischen Umgebung eines Atomkerns oder durch magnetische Wechselwirkung zwischen benachbarten Atomkernen. Aufgrund dieser Eigenschaften wird die Kernresonanzspektroskopie zur Strukturaufklärung von Molekülen eingesetzt.
Messverfahren der Kernresonanzspektroskopie mini|Aufbau eines NMR-Spektrometers
Zur Messung wird die Probe in ein homogenes magnetisches Feld gebracht, das sogenannte Hauptmagnetfeld. Die Probe wird von einer Induktionsspule umgeben, welche ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld senkrecht zum Hauptmagnetfeld erzeugt. Dann variiert man die Stärke des Hauptmagnetfeldes, bis der Resonanzfall eintritt (Continuous-Wave-Verfahren, veraltet). Alternativ kann die magnetische Feldstärke konstant gehalten und die Frequenz des eingestrahlten Wechselfeldes variiert werden (Continuous-Field-Verfahren, veraltet). Wenn der Resonanzfall eintritt, die Probe also Energie aus dem Wechselfeld aufnimmt, verändert sich die Stromstärke, welche zum Aufbau des Wechselfeldes benötigt wird. Dies ist messbar.
Moderne Messverfahren strahlen nicht mehr kontinuierliche Wechselfelder in die Probe ein, sondern Radiowellen-Pulse. Ein kurzer Radiowellenpuls regt dabei ein Frequenzband an, dessen Frequenzbreite über die Fourier-Beziehung umgekehrt proportional zur Pulsdauer ist. Dadurch werden in der Probe alle Übergänge, die in dieses Frequenzband fallen, gleichzeitig angeregt. Bei korrekter Wahl von Pulsdauer und Pulsleistung kann die Magnetisierung der angeregten Kernspins in die Transversalebene senkrecht zum Hauptmagnetfeld gebracht werden. Nach Beendigung des Pulses oszilliert diese Transversalmagnetisierung für kurze Zeit senkrecht zum Hauptmagnetfeld. Dabei oszilliert jeder Kernspin mit seiner individuellen Larmor-Frequenz. Diese Summe dieser Oszillationen wird als elektrischer Strom über elektromagnetische Induktion mit der gleichen Induktionsspule detektiert, die zum Senden des Anregungspulses gedient hat. Das empfangene Signal wird digitalisiert und aufgezeichnet. Mit Hilfe der schnellen Fourier-Transformation ist es möglich, die individuellen Larmor-Frequenzen aus der Summe der Oszillationen zu extrahieren, um ein NMR-Spektrum zu erhalten. Darum tragen moderne NMR-Verfahren den Namen PFT-NMR für Pulsed Fourier Transform NMR Spectroscopy. Für dieses Verfahren bleibt das Hauptmagnetfeld statisch, üblicherweise wird es mit Hilfe von supraleitenden Elektromagneten erzeugt, die mit flüssigem Helium und Stickstoff gekühlt werden.
Ein spezielles Verfahren ist die NMR-CIDNP-Spektroskopie, bei der die Probe zur Erzeugung von Radikalen mit Licht bestrahlt oder beheizt wird.
Relaxation
Bei der PFT-NMR existieren drei Relaxationsprozesse, die einerseits die Leistungsfähigkeit der PFT-NMR einschränken, aber andererseits einzigartige Informationen zur Molekül-Dynamik und Material-Inhomogenitäten liefern können. Die -Relaxation ist der Prozess der Rückkehr der Kernspins vom angeregten Zustand zum thermischen Gleichgewicht unter Abgabe der bei der Anregung aufgenommenen Energie als Wärme. Wird zwischen zwei NMR-Experimenten (scans) nicht die vollständige -Relaxation abgewartet, so steht für jedes weitere nur eine gewisse, geringere Magnetisierung und damit Signalintensität zur Verfügung. Falls eine kurze Repetitionzeit gewünscht ist, muss der Anregungswinkel (auf den sog. Ernst-Winkel) verkleinert werden, um trotzdem ein möglichst starkes Signal zu erhalten. Die -Relaxation ist die Dephasierung der Transversalmagnetisierung aufgrund entropischer Effekte, die mit der magnetischen Dipol-Dipol-Wechselwirkung benachbarter Atomkerne zusammenhängt. Hier wird keine Energie abgegeben, da die Spins im angeregten Zustand verbleiben, aber die Transversalmagnetisierung läuft von einem Vektor zunächst zu einem Fächer und zuletzt zu einer Kreisfläche auseinander, so dass kein NMR-Signal mehr in der Detektionsspule induziert wird. Befinden sich zusätzlich Magnetfeldinhomogenitäten in der Probe, sei es durch Imperfektionen des Hauptmagnetfeldes oder durch Suszeptibilitätsunterschiede innerhalb der Probe, wird statt der -Relaxation die beschleunigte -Relaxation beobachtet.
Die -Relaxation bzw. -Relaxation beschränkt die Lebensdauer des NMR-Signals direkt nach der Anregung. Das NMR-Signal wird darum als gedämpfte Schwingung, als FID () gemessen. In der Praxis wird die -Relaxationszeit mit Hilfe der Spin-Echo-Methode gemessen.
Die -Relaxation limitiert, wie schnell NMR-Experimente hintereinander ausgeführt werden können. Die -Relaxation und die -Relaxation hängen stark von der Dichte und Viskosität/Rigidität der Probe ab.
Empfindlichkeit der NMR-Spektroskopie Ein inhärentes Problem der NMR-Spektroskopie ist ihre vergleichsweise geringe Empfindlichkeit (schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis). Dieses ist darauf zurückzuführen, dass die Energiedifferenzen der -Zustände klein und die Populationsunterschiede zwischen den Zuständen im thermischen Gleichgewicht sehr gering sind (Boltzmannverteilung).
Das Besetzungsverhältnis der beiden beteiligten Energiezustände kann durch deren Energiedifferenz im Verhältnis zur thermischen Energie bei gegebener Temperatur T ausgedrückt werden: