Einführung - NMR Spektroskopie

NMR-Spektroskopie (Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy) ist eine Analysemethode, bei der die Kernspinresonanz von Atomen in einem magnetischen Feld untersucht wird. Dies ermöglicht es, die chemische Zusammensetzung und Struktur von Molekülen zu bestimmen. NMR-Spektroskopie findet in vielen Bereichen Anwendung, wie z.B. in der Chemie, Biochemie, Medizin und Pharmazie. Es kann verwendet werden, um die Struktur von Proteinen und Nukleinsäuren zu bestimmen, Metabolite im Körper nachzuverfolgen und die Reinheit von chemischen Verbindungen zu überprüfen.

Die Grundlagen der NMR Spektroskopie

Die Grundlagen der NMR-Spektroskopie beruhen auf dem Phänomen der Kernspinresonanz. Atome, die einen Kernspin besitzen, wie z.B. Wasserstoff- oder Kohlenstoffatome, reagieren auf ein externes magnetischen Feld, indem sie ihren Spin ausrichten. Durch Anlegen eines wechselnden magnetischen Feldes, kann man diese ausgerichteten Spins anregen und die daraus resultierenden Signale messen. Die NMR-Spektroskopie nutzt den Unterschied in der magnetischen Umgebung von Atomen in verschiedenen chemischen Umgebungen, um die chemische Struktur eines Moleküls zu bestimmen. Jede Art von Atom, das in NMR-Spektroskopie untersucht werden kann, hat einen charakteristischen Resonanzfrequenzbereich, der von seinem Kernspin abhängt. Das NMR-Spektrum besteht aus einer Reihe von Signallinien, die jeder Art von Atom im Molekül entspricht. Die relative Intensität und die chemische Verschiebung dieser Linien kann verwendet werden, um die Anzahl und die Umgebung von Atomen im Molekül zu bestimmen. Es gibt verschiedene Arten von NMR-Spektroskopie, wie z.B. die 1H-NMR und die 13C-NMR, die sich auf die Untersuchung von Wasserstoff- bzw. Kohlenstoffatomen spezialisiert haben. Diese Techniken ermöglichen es, detaillierte Informationen über die chemische Struktur von Molekülen zu erhalten.

Die Kernspinnquantenzahl

Die Kernspinquantenzahl, auch als Spin-Quantenzahl bezeichnet, beschreibt den quantenmechanischen Spinzustand eines Kerns. Sie kann die Werte +1/2 oder -1/2 annehmen und wird oft mit den Buchstaben I oder s (für spin) bezeichnet. Die Kernspinresonanz, auf der die NMR-Spektroskopie basiert, beruht auf den Übergängen zwischen den verschiedenen Spinzuständen von Kernen, die durch die Anwendung eines magnetischen Feldes und einer rf-Strahlung (rf steht für radio frequency) angeregt werden können. Die Kernspinquantenzahl beeinflusst auch die Art und Weise, wie sich Atome in einem magnetischen Feld verhalten. Atome mit einer Kernspinquantenzahl von 1/2 werden als "spinende" Atome bezeichnet und reagieren auf ein magnetisches Feld, indem sie ihren Spin ausrichten, während Atome ohne Kernspin nicht auf ein magnetisches Feld reagieren. Es ist zu beachten, dass nicht alle Atomkerne eine Kernspinquantenzahl haben. Kernspins sind ein quantenmechanisches Phänomen und existieren nur bei Atomen, die mindestens ein ungepaartes Neutron oder ein ungepaartes Proton haben.

Messverfahren der Kernresonanzspektroskopie

In der Kernresonanzspektroskopie (NMR) gibt es verschiedene Messverfahren, die verwendet werden können, um NMR-Spektren zu erhalten. Die am häufigsten verwendeten Messverfahren sind:

• Puls-Fourier-Transform-Spektroskopie (Puls-FT-NMR): Hierbei werden kurze Pulsimpulse von Radiowellen verwendet, um die Kernspins anzuregen und anschließend wird die zeitliche Entwicklung der Kernspinsignale aufgezeichnet. Diese Signale werden dann mit einer Fourier-Transformation in das Frequenzbereich überführt, um das NMR-Spektrum zu erhalten.
• Dauersignal-Spektroskopie (CW-NMR): Hierbei wird eine kontinuierliche Welle von Radiowellen verwendet, um die Kernspins anzuregen und die Kernspinsignale werden direkt aufgezeichnet.
• Inversion-Recovery-Spektroskopie: Hierbei werden mehrere Pulsimpulse verwendet, um die Kernspins in einen bestimmten Zustand zu bringen und anschließend wird das NMR-Signal aufgezeichnet. Dieses Verfahren ermöglicht es, bestimmte Informationen über die Dynamik von Prozessen in der Probe zu gewinnen.
• Hochauflösende Spektroskopie (HR-NMR): Hierbei werden spezielle Techniken verwendet, um die Auflösung des NMR-Spektrums zu erhöhen und damit feinere Strukturunterschiede in der Probe sichtbar zu machen.

Abhängig von der Art der Probe und der gewünschten Informationen wird eines dieser Messverfahren oder eine Kombination davon verwendet.

Relaxation

In der Kernspinresonanz (NMR) beschreibt die Relaxation den Prozess, bei dem die Kernspins einer Probe wieder in ihren thermischen Gleichgewichtszustand zurückkehren, nachdem sie durch ein externes magnetisches Feld oder Radiowellenimpulse gestört wurden. Es gibt zwei Arten von Relaxationsprozessen in der NMR:

• Spin-Gitter-Relaxation (T1): Dieser Prozess beschreibt die Rückkehr der Kernspins zum Gleichgewicht entlang der Achse des externen Magnetfeldes. Es wird durch die Wechselwirkung der Kernspins mit der umgebenden Elektronenwolke verursacht und hängt von der Stärke des Magnetfeldes und der Art der Kerne ab.
• Spin-Spin-Relaxation (T2): Dieser Prozess beschreibt die Rückkehr der Kernspins zum Gleichgewicht im Ebene senkrecht zur externen Magnetfeldachse. Es wird durch die Wechselwirkung der Kernspins mit ihren benachbarten Kernen verursacht und hängt von der Stärke der Kopplung zwischen den Kernen ab.

Die Kenntnisse der Relaxationszeiten T1 und T2, sowie die Art der Wechselwirkungen die dazu führen, ermöglicht es, Informationen über die Dynamik und Struktur der Proben zu gewinnen.

Empfindlichkeit der NMR-Spektroskopie

Die Empfindlichkeit der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) hängt von mehreren Faktoren ab, wie z.B. der Stärke des Magnetfeldes, der Leistung der Radiowellenimpulse, der Qualität des Detektionssystems und der Konzentration der untersuchten Kerne.
Die Empfindlichkeit der NMR-Spektroskopie kann durch Erhöhung der Stärke des Magnetfeldes verbessert werden, da dadurch ein größerer Unterschied in der Energie zwischen den verschiedenen Kernspinzuständen entsteht. Dadurch können mehr Kerne mit dem Magnetfeld ausgerichtet werden, was zu stärkeren NMR-Signalen führt.
Eine weitere Möglichkeit, die Empfindlichkeit der NMR-Spektroskopie zu verbessern, besteht darin, die Leistung der Radiowellenimpulse zu erhöhen. Je stärker die Impulse, desto mehr Kerne werden angeregt, was zu stärkeren NMR-Signalen führt.
Die Qualität des Detektionssystems, einschließlich der Empfangs-Spule und der Elektronik, spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Empfindlichkeit der NMR-Spektroskopie.
Die Konzentration der Kerne in der untersuchten Probe beeinflusst ebenfalls die Empfindlichkeit der NMR-Spektroskopie. Je höher die Konzentration der Kerne, desto stärker ist das NMR-Signal.
Es ist zu beachten, dass, obwohl die Empfindlichkeit der NMR-Spektroskopie verbessert werden kann, es immer noch eine Technik ist, die weniger empfindlich als andere Analysemethoden ist.

Auflösungsvermögen der NMR-Spektroskopie

Die Auflösungsvermögen der NMR hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie der chemischen Verschiebung, der Signal-zu-Rausch-Verhältnis und der T2-Relaxationszeit. Eine höhere chemische Verschiebung führt zu einer höheren Auflösung, während ein höheres Signal-zu-Rausch-Verhältnis und eine kürzere T2-Relaxationszeit ebenfalls zu einer höheren Auflösung beitragen. Eine höhere magnetische Feldstärke erhöht ebenfalls die Auflösung von NMR-Spektren.

NMR aktive Kerne

In der NMR-Spektroskopie (Kernspinresonanzspektroskopie) werden hauptsächlich NMR-aktive Kerne untersucht. Dies sind Kerne, die einen nicht-geschlossenen Kernspin-Energieniveau besitzen und somit einen magnetischen Moment besitzen. Die meisten NMR-Messungen werden mit Protonen durchgeführt, da sie in vielen organischen Verbindungen vorhanden sind und leicht zu beobachten sind. Es gibt jedoch auch andere NMR-aktive Kerne wie Kohlenstoff-13, Stickstoff-14, Fluor-19, etc. die auch verwendet werden können. Jeder NMR-aktive Kern hat seine eigene charakteristische NMR-Frequenz, die von seinem magnetischen Moment und seiner Umgebung abhängt. Durch Messen dieser Frequenzen kann man Informationen über die chemische Umgebung des Kerns und die räumliche Anordnung der Atome in einer Verbindung gewinnen.

NMR-Spektren

Wenn man ein NMR-aktives Kernsystem einem starken homogenen Magnetfeld aussetzt und anschließend eine kurze elektromagnetische Impulsenergie zuführt, können die Kernspin-Energieniveaus des Systems absorbieren. Dies führt zu einer Veränderung der Ausrichtung der Kernspin-Energieniveaus und die absorbierten Energien entsprechen den Energiedifferenzen zwischen den verschiedenen Kernspin-Energieniveaus. Diese Energiedifferenzen entsprechen den Frequenzen der elektromagnetischen Strahlung, die von den Kernen absorbiert werden und diese Frequenzen entsprechen auch den Frequenzen der NMR-Signale. Ein NMR-Spektrum besteht aus einer Reihe von Signallinien, die in der Regel als Absorptionslinien bezeichnet werden. Jede Linie entspricht einem bestimmten Kernspin-Energieniveau und ihre relative Intensität gibt an, wie viele Kerne sich auf diesem Energieniveau befinden. Die relative Lage der Linien in Bezug zueinander und ihre Intensitäten können verwendet werden, um die chemische Struktur der Verbindung zu bestimmen.

Die chemische Verschiebung

Ein wichtiger Bestandteil der NMR-Analyse ist die Chemische Verschiebung, die angibt, welche Art von Kernen in einem Molekül vorhanden sind und wo sie sich im Molekül befinden. Die unterschiedlichen chemischen Verschiebungen der Signale bedeuten, dass z.B. in einem Ethanolmolekül Wasserstoffatome sind, die eine unterschiedliche Umgebung haben. Denn ihre Magnetfelder sind nicht gleich. Das liegt daran, dass die um den Kern kreisenden Elektronen ebenfalls ein Magnetfeld erzeugen.

Abschirmung und Entschirmung

In der NMR-Spektroskopie gibt es das Konzept der Abschirmung und Entschirmung. Dies bezieht sich auf die Wirkung von elektronischen Strukturen auf die magnetischen Eigenschaften von Kernen.
Abschirmung bezieht sich auf die Tatsache, dass elektronische Strukturen in der Nähe von Kernen die magnetischen Eigenschaften des Kerns beeinflussen können, wodurch die chemische Verschiebung des Kerns verringert wird. Dies geschieht, weil die elektronischen Schwingungen die magnetischen Felder der Kernspins abschirmen.
Entschirmung bezieht sich dagegen auf die Tatsache, dass bestimmte elektronische Strukturen die magnetischen Eigenschaften von Kernen verstärken können. Dies führt zu einer Erhöhung der chemischen Verschiebung des Kerns.
Die Abschirmung und Entschirmung können verwendet werden, um die elektronischen Strukturen von Molekülen zu bestimmen und ihre Konformationsanalyse durchzuführen.

NMR Angabe ppm Bedeutung

In der NMR-Spektroskopie wird die chemische Verschiebung in Teilen pro Million (ppm) angegeben. Dies gibt an, um wie viele Teile pro Million die Resonanzfrequenz eines Kerns von der Referenzfrequenz abweicht. Diese Einheit ist besonders nützlich, da sie die Verschiebungen von Kernen unterschiedlicher Art, wie z.B. Protonen und Kohlenstoffen, auf eine gemeinsame Skala bringt.
Da die chemische Verschiebung von vielen Faktoren beeinflusst wird, wie z.B. der elektronischen Struktur des Moleküls, der Anordnung der Atome im Raum und der Art der Bindungen zwischen den Atomen, kann die Angabe der Verschiebung in ppm sehr nützlich sein, um die Struktur eines Moleküls zu bestimmen.
Es ist zu beachten, dass die ppm-Werte je nach Referenzfrequenz unterschiedlich sein können und es wichtig ist, die verwendete Referenzfrequenz bei der Interpretation von NMR-Spektren zu kennen.

NMR Feinstruktur

Die Feinstruktur in der NMR-Spektroskopie beschreibt die kleinen Untergruppen von Linien innerhalb einer breiteren NMR-Signal. Diese Linien entstehen aufgrund der Wechselwirkungen zwischen den Kernspins und den elektronischen Strukturen des Moleküls.
Feinstrukturlinien können durch verschiedene Arten von Wechselwirkungen verursacht werden, wie z.B. die Dipol-Dipol-Wechselwirkung, die Kopplung von Kernspins und die spin-orbitale Wechselwirkung.
Die Analyse der Feinstruktur kann sehr nützlich sein, um die elektronischen Strukturen von Molekülen zu bestimmen und ihre Konformationsanalyse durchzuführen.
Es ist zu beachten, dass die Feinstruktur nur sichtbar ist, wenn die NMR-Signale von Kernen mit nicht-geschlossenem Kernspin erzeugt werden, wie z.B. Kohlenstoff-13 und Stickstoff-15. Daher sind Feinstrukturlinien in Protonen-NMR-Spektren nicht vorhanden.

NMR Geräte

Für die Durchführung von NMR-Experimenten wird ein spezialisiertes Instrument, der NMR-Spektrometer, verwendet. Ein NMR-Spektrometer besteht aus verschiedenen Komponenten, wie z.B. einem starken Magneten, der die Kernspins orientiert, einer Quelle für Radiowellen, die die Kernspins anregt, und einem Detektor, der die Signale von den Kernspins empfängt und aufzeichnet.
Es gibt verschiedene Arten von NMR-Spektrometern, die sich in Größe, Leistung und Anwendung unterscheiden. Einige der gängigsten Arten von NMR-Spektrometern sind:

• Benchtop-NMR-Spektrometer: Dies sind kleinere Geräte, die auf einem Labortisch platziert werden können und hauptsächlich für die Analyse von organischen Verbindungen und kleinen Biomolekülen verwendet werden.
• Hochfeld-NMR-Spektrometer: Diese Geräte haben starke Magnetfelder (über 600 MHz) und eignen sich besonders für die Analyse von Metallkomplexen und Makromolekülen
• Kernresonanz-Tomographie (NMRT): Diese Geräte kombinieren NMR-Technologie mit Computertomographie (CT) und ermöglichen die Erstellung dreidimensionaler Bilder von Proben.

Es gibt auch mobile NMR Geräte die man zu den Proben bringt, anstatt die Proben zu den Geräten.

Anwendungsbeispiele für NMR-Spektraoskopie

NMR (Nukleare Magnetresonanz) wird in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technik eingesetzt. Einige Anwendungsbeispiele sind:

• Analytische Chemie: Identifizierung und Quantifizierung von chemischen Verbindungen in Proben.
• Biochemie: Strukturaufklärung von Proteinen und Nukleinsäuren, Untersuchung von Protein-Ligand-Wechselwirkungen und Studien zu Metabolismus.
  
• Medizin: Diagn von Erkrankungen des Gehirns und anderer Organe durch die Verwendung von Kernspintomographie (MRI).
• Materialwissenschaft: Untersuchung der Struktur und Eigenschaften von Materialien, wie z.B. Polymere und Nanopartikel.
• Geowissenschaften: Untersuchung von Boden und Gesteinsschichten, Öl- und Gasreserven.
• Lebensmittelwissenschaft: Analyse von Zusammensetzung und Qualität von Lebensmitteln.

Insgesamt ist NMR eine vielseitige Technik, die in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technik verwendet wird.