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NMR-Spektroskopie

 

[Abkürzung für englisch nuclear magnetic resonance, »kernmagnetische Resonanz«, »Kernspinresonanz«], Kernspinresonạnzspektroskopie, magnetische Kernresonanzspektroskopie, kernmagnetische Resonạnzspektroskopie, Verfahren der Hochfrequenzspektroskopie zur Untersuchung der Struktur von Molekülen und Festkörpern sowie von Bewegungsvorgängen in flüssigen und festen Stoffen, dem die Kernspinresonanz zugrunde liegt. Das von F. Bloch und E. M. Purcell (1946) entwickelte Verfahren beruht auf der Resonanzwechselwirkung zwischen Radiowellen (d. h. einem hochfrequenten magnetischen Wechselfeld) und bestimmten Atomkernen der zu untersuchenden Substanz, die sich in einem starken äußeren homogenen Magnetfeld befinden.

 

Zur Untersuchung wird das von einer Spule umschlossene Probenröhrchen, in der das hochfrequente (HF) magnetische Wechselfeld H₁ zur Anregung der Kernspinresonanz in der Probe mittels eines Radiofrequenzgenerators erzeugt wird, zwischen die Pole eines großen Magneten des NMR-Spektrometers gebracht. Dieser liefert ein stabiles, homogenes Magnetfeld B₀, das senkrecht zur Richtung des magnetischen Wechselfeldes steht. Resonanz tritt ein, wenn die Frequenz des anregenden HF-Feldes H₁ mit der Larmor-Frequenz (Larmor-Präzession) des im Magnetfeld präzedierenden Kernspins übereinstimmt. Bei bekanntem Kernspin I ist die Larmor-Frequenz durch das am Kernort wirkende Magnetfeld bestimmt, das jedoch nicht genau mit dem von außen angelegten Magnetfeld B₀ übereinstimmt: Durch Magnetfelder der Hüllenelektronen und die Felder benachbarter Kerne wird das angelegte Magnetfeld abgeschwächt, sodass die lokale effektive Feldstärke geringer ist als die angelegte Feldstärke B₀ . Dieser als Abschirmung bezeichnete Effekt führt zu Frequenzänderungen (chemische Verschiebungen) im NMR-Spektrum der Untersuchungssubstanz, aus denen auf die Anzahl der Kerne, ihre chemische Zuordnung, ihre Bindungsverhältnisse, konstitutions- und stereochemische Aspekte u. a. Eigenschaften geschlossen werden kann. Die magnetische Kopplung einzelner Kerne untereinander über die Spin-Spin-Wechselwirkung führt zu einer Multiplettaufspaltung der NMR-Linien, die zusätzliche Rückschlüsse auf die Anordnung der Kerne in einer chemischen Verbindung zulässt. Haben die Kerne außerdem ein elektrisches Kernquadrupolmoment, so treten infolge der Wechselwirkung zwischen Kernquadrupolmoment und elektrischen Feldgradienten weitere Linienaufspaltungen und -verschiebungen auf. Die Wechselwirkungen der magnetischen Kernmomente mit ihrer thermisch angeregten Umgebung (Spin-Gitter-Relaxation) sowie der Kernspins untereinander (Spin-Spin-Relaxation) wirken der magnetischen Umorientierung der Kerne durch das HF-Feld H₁ entgegen und sind bestrebt, die thermische Gleichgewichtsverteilung wiederherzustellen. Lässt man daher das H₁-Feld nicht kontinuierlich, sondern nur in Form kurzer HF-Impulse auf die Probe einwirken (Impuls-NMR-S., Spin-Echo-Verfahren), registriert man ein Kernresonanzsignal mit zeitabhängiger Amplitude, das die Relaxationsprozesse widerspiegelt und die Bestimmung der Kernrelaxationszeiten erlaubt. Die meistuntersuchten Kerne sind Protonen - dann auch als Protonenresonanz-(PMR-)Spektroskopie (PMR, Abkürzung für englisch proton magnetic resonance) bezeichnet - (mit Kernspin I = ½, die deshalb kein elektrisches Quadrupolmoment haben), ferner ²H-, ¹³C-, ¹⁹F- und ³¹P-Kerne.

 

Mittels der NMR-S. kann auch lebendes Gewebe vermessen werden; mithilfe elektronischer Rechenverfahren können NMR-Querschnittsbilder von Pflanzen, Tieren und vom Menschen angefertigt werden, die die Verteilung der »frei beweglichen« Wasserstoffatome darstellen und so Gewebestrukturen und Organe erkennen lassen (Kernspintomographie).