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NMR


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NMR kurz für Kernmagnetische Resonanz aus dem Englischen für "Nuclear Magnetic

Die NMR wird heute für folgende verwendet:

  • analytische Chemie : Zum nichtzerstörenden Nachweis von Inhaltsstoffen einer
  • 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
  • Bildgebung: Zur Untersuchung der Dichteverteilung eines in einem Körper (z.B. in der Medizin Kernspintomographie )

Inhaltsverzeichnis

Funktionsprinzip

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

Liegt ein externes Magnetfeld an richten die Kernspins nach diesem Magnetfeld aus da dann die geringste potentielle Energie besitzen (analog einer Kompassnadel). Durch die thermische Energie der sind die Kernspins aber nicht alle gleich Die Spins sind nach der Boltzmannverteilung ausgerichtet einer Vorzugsrichtung parallel zum Magnetfeld. Damit ergibt eine durchschnittliche Magnetisierung die aufgrund der Boltzmann-Verteilung klein ist.

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

Durch die Sendespule wird ein starkes Magnetfeld (beim Puls-Verfahren; das CW-Verfahren funktioniert ähnlich) welches senkrecht zum externen Magnetfeld liegt. Die richten sich an dem neuen Magnetfeld aus kippen in die x/y-Ebene. Wird die Sendespule liegt wieder das normale Magnetfeld vor. In Magnetfeld präzedieren die Spins mit der Larmorfrequenz bis sich diese wieder nach dem ausrichten. Die Zeit bis die Spins ihre Magnetisierung annehmen ist die T1-Zeit (oder Relaxationszeit).

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

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

Experimentelle Verfahren

In der NMR gibt es zwei Verfahren:
  • CW (Continuous Wave) Verfahren. Bei diesem wird eine Radiofrequenz langsam durchgestimmt und das Resonanzsignal der Atome aufgenommen. Man arbeitet in der "Frequenzdomäne" erhält das Spektrum eine Signalintensität als Funktion Frequenz.

  • Das Puls-Verfahren. Hierbei wird ein einzelner (RF-Puls) oder auch eine Serie solcher elektromagnetischer auf die Probe gesandt die sich in Spule befindet. Das Signal der freie Induktionsabfall free induction decay FID) nach einem Puls das Spin-Echo nach zwei oder mehreren Impulsen als Funktion der Zeit registriert man arbeitet der "Zeitdomäne". Mittels einer mathematischen Operation der (FT) die in der Praxis ein Computer wird das Zeitsignal in ein Spektrum umgewandelt. Verfahren wird als FT-Spektroskopie bezeichnet und wird in anderen Spektroskopiearten wie z.B. IR Massenspektrometrie angewendet.

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

Experimentelle Größen

Mit der selben Apparatur lassen sich Größen messen die Rückschlüsse auf die Stoffe

  • Die Larmorfrequenz des Atomes ist stark von dem Magnetfeld abhängig. Da alle Atome unterschiedliche Magnetfelder ist die Larmourfrequenz des untersuchten Atomes stark der chemischen Umgebung und von der Bindung Durch die Bestimmung dieser chemischen Verschiebung lassen Rückschlüsse auf die Bindungspartner und Arten der ziehen.

Einschränkungen

Durch die Boltzmannverteilung tragen nur wenige zur Magnetisierung und damit zum meßbaren Signal Deswegen sind konventionelle NMR-Messungen nur für Flüssigkeiten Festkörper ausgelegt. Für vernünftige Messungen an einer ist mindestens 1 mol notwendig. Aufgrund dieser 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 analytischen Chemie und Biochemie verlief weitgehend parallel zur der elektromagnetischen Technik. Purcell war im 2. Weltkrieg an der Entwicklung des Radar 's am MIT beteiligt und forschte insbesondere an der von elektromagnetischer Energie und deren Absorption durch Materie . Diese Arbeiten halfen später die Hintergründe NMR besser zu verstehen.

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

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

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

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

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

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

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

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



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