Kernresonanz-Spektroskopie

Synonym

• NMR-Spektroskopie (von "nuclear magnetic resonance")

Definition

• Spektrometrisches Messverfahren, das mit elektromagnetischer Strahlung relativ niedriger Frequenz (meist 90 - 500 MHz) arbeitet. Die magnetische Antwort der Atomkerne auf diese Anregung wird gemessen und ausgewertet.

Messprinzip

• Atomkerne mit ungerader Kernladungs- und / oder Neutronenzahl besitzen eine Kernspinquantenzahl <> 0 und damit einen Kernspin (Eigendrehimpuls, p) sowie ein magnetisches Moment µ. 

p	:	Eigendrehimpuls (Kernspin)
h	:	Plancksches Wirkungsquantum
I	:	Kernspinquantenzahl

• Beide Größen sind zueinander proportional, wobei der Proportionalitätsfaktor g als gyromagnetisches Verhältnis bezeichnet wird.

µ	:	magnetisches Moment
g	:	gyromagnetisches Verhältnis
p	:	Eigendrehimpuls

• Das gyromagnetische Verhältnis ist für jede Kernsorte eine charakteristische Konstante.
• NMR aktive Atomkerne nehmen nun im magnetischen Feld zwei energetisch unterschiedliche Orientierungen - parallel oder antiparallel - ein. (Kern-Zeemann-Niveaus)
• Durch Zufuhr elektromagnetischer Strahlung relativ niedriger Frequenz (ca. 300 MHz) werden die Kerne aus dem parallelen in das antiparallele Niveau gehoben, wobei es zur Spin-Inversion kommt.
• Diese Anregung erfolgt nur, wenn der Betrag der eingestrahlten Energie genau der Differenz der beiden Kern-Zeemann-Niveaus entspricht, die eingestrahlte Frequenz also gleich der Resonanzfrequenz des Kerns ist. 
• ....
• Durch das äußere Magnetfeld kommt es zu einer Aufspaltung der vorher energetisch gleichen Energieniveaus. Für deren Energiedifferenz gilt nun:

ΔE	:	Energiedifferenz
B0	:	äußeres Magnetfeld
g	:	gyromagnetisches Verhältnis
h	:	Plancksches Wirkungsquantum

• ....
• ....
• FORMEL (Lamor-Gleichung)
• ....
• Das Verhältnis der angeregten zu den nicht angeregten Atomen der Probe ergibt sich nach:

N1	:	Atome im angeregten Zustand
N0	:	Atome im Grundzustand
ΔE	:	Energiedifferenz
k	:	Proportionalitätsfaktor
T	:	absolute Temperatur

• Daraus folgt, dass bei Zimmertemperatur bereits rund 50 % der Atome im angeregten Zustand vorliegen. 
• Durch die Einstrahlung der Energie werden 100 % der Atome in den angeregten Zustand überführt, wofür eine charakteristische Energie notwendig ist. Damit diese zwischen den Messungen gleich bleibt, muss dafür gesorgt werden, dass vor Beginn der nächsten Messung wieder nur 50 % der Atome bereits angeregt sind.
• Aus diesem Grund darf eine erneute Messung erst nach der Relaxationszeit der Atome von ca. 0,1 bis 10 Sekunden stattfinden.
• Da die separate Messung der betrachteten Wellenlängenbereichte so sehr lange dauern würde, wird in der Praxis meist die sogenannte PFT-NMR-Technik angewandt, bei der das gesamte betrachtete Frequenzspektrum auf einmal  (als Puls) eingestrahlt wird und anschließend die einzelnen Antworten mit Hilfe der Fourier-Transformation errechnet werden.
• Messtechnische Bedeutung haben nur relativ wenige Atomkerne, wie ¹H, ¹³C, ¹⁹F oder ²¹P.

Auswertung

• Die Auswertung erfolgt anhand der folgenden Kriterien:
  • Chemische Verschiebung
    • Abhängigkeit der Lage des Signals von der direkten chemischen Umgebung des erzeugenden Atomkerns.
  • Integration
    • Abhängigkeit der Größe des Signals von der Anzahl der erzeugenden Atome.
  • Spin-Spin-Kopplung
    • Abhängigkeit der Aufspaltung des Signals von der Möglichkeit zur Kopplung mit Atomkernen in seiner indirekten Umgebung.

Anwendung

• Strukturaufklärung
• Identitätsprüfung
• Reinheitsprüfung (z.B. Gentamicinsulfat)
• Gehaltsbestimmung

Messtechniken

• CW-Technik / Sweep-Verfahren
  • Die Abkürzung CW steht für "continuous wave"
  • Es werden zwei Sweep-Verfahren unterschieden:
    • Frequency sweep 
      • kontinuierliche Änderung der eingestrahlten Frequenz bei konstantem Magnetfeld
    • Field sweep 
      • Veränderung der magnetischen Feldstärke bei konstanter Frequenz
• PFT-Technik / Impuls-Spektroskopie
  • PFT steht als Abkürzung für Puls-Fourier-Transformation
  • Durch einen Puls, der eine Sequenz von Hochfrequenzimpulsen darstellt, werden alle Kerne einer Kernsorte gleichzeitig angeregt. Mittels eines mathematischen Verfahrens (Fourier-Transformation) wird die Vielzahl der Schwingungen in ein Spektrum umgewandelt.

Anwendung

• Kerne mit ungerader Kernladungszahl und / oder Neutronenzahl, z.B. ¹H, ⁷Li, ¹¹B, ¹³C, ¹⁵N, ¹⁹F, ²⁹Si, ³¹P, ³³S, ⁷⁷Se
• Die geringe natürliche Häufigkeit einzelner Isotope begrenzt oder erschwert dieses Verfahren. Ein großes magnetisches Moment begünstigt es hingegen durch eine Erhöhung der Empfindlichkeit.

Skalierung

• Definitionsgemäß steigt die magnetische Feldstärke auf der X-Achse von links nach rechts an, daher wird das linke Gebiet im Spektrogramm auch als "tiefes Feld", die rechte als "hohes Feld" bezeichnet.
• Da sich magnetisches Feld und Frequenz antiproportional zueinander Verhalten, nimmt die Frequenz auf der X-Achse von links nach rechts ab.
• Die Skalierung der X-Achse erfolgt mit Hilfe des Standards Tetramethylsilan , der nur ein einziges Signal liefert, da alle Wasserstoffe gleichwertig sind.
• Die Lage dieses Peaks wird als 0 ppm benutzt.
• Nach links werden nun die Werte der chemischen Verschiebung ansteigend als ppm-Werte aufgetragen. 

• Siehe auch:
  • ¹H-NMR-Spektrometrie
  • ¹³C-NMR-Spektrometrie
  • Chemische Verschiebung
  • Integration
  • Spin-Spin-Kopplung