NMR

Die Kernmagnetische Resonanz (NMR, Abkürzung für Nuclear Magnetic Resonance) ist ein physikalisches Phänomen, das 1946 von Felix Bloch und Edward Mills Purcell unabhängig voneinander beschrieben wurde. Beide erhielten 1952 für ihre Entdeckung den Nobelpreis der Physik.

Die Kernmagnetische Resonanzspektroskopie ist eine Methode zur Strukturaufklärung chemischer Verbindungen mithilfe des Kernspins verschiedener NMR-aktiver Isotope.

Je nach Art der Bindung bzw. der Bindungspartner an das untersuchte Element existieren für z.B. einzelne Wasserstoff- oder Kohlenstoffatome verschiedene Signale (Linien) bei unterschiedlichen Frequenzen (Chemische Verschiebung). Aus der Aufspaltung der Signalbanden kann zudem die Kopplung verschiedener Atome ermittelt werden, welche durch räumliche Nachbarschaft der untersuchten Atome zustande kommt.

Ein wichtiges Kapitel zur NMR ist das bildgebende Verfahren Magnetresonanztomografie, Englisch: NMR-Imaging, MRI

Funktionsprinzip

Die Kernresonanz beruht auf dem Verhalten des untersuchten Atomkerns, in einem statischen äußeren Magnetfeld einer bestimmten Frequenz. Man zeichnet als Spektrum die Absorption elektromagnetischer Strahlung durch Atomkerne auf, welche ein magnetisches Moment aufgrund ungerader Protonen- oder Neutronenzahl besitzen, z.B. ¹H, ²H, ¹³C, ¹⁵N, ¹⁹F, ³¹P.

Die Probe mit der zu untersuchenden Atomkernsorte (meist die Kerne des Wasserstoffatoms ¹H) wird in einem äusseren Magnetfeld ausgerichtet (Man unterscheidet zwischen NMR in hohen Magnetfeldern im Tesla-Bereich und niedrigen Magnetfeldern im Mikrotesla-Bereich). Aufgrund der Boltzmannverteilung ergibt sich eine Polarisierung der Atomkerne in Richtung des Magnetfeldes (als z-Achse bezeichnet).

In der x-y-Ebene sind eine oder mehrere Spulen angeordnet, mit denen die Probe manipuliert wird. Im häufigsten Falle dient eine einzige Spule in x-Richtung als Sende- und Empfangsspule.

Werden die Atomkerne durch ein elektromagnetisches Wechselfeld, typischerweise im MHz-Bereich) angeregt, drehen sich deren Spins in Phase um das Magnetfeld. Da die Kernspins nicht nur Kreisel sondern auch kleine Stabmagnete (magnetische Dipole) sind addiert sich ihr Magnetfeld und in der Spule dreht sich eine Magnetisierung. Bekanntlich werden aber durch magnetische Wechselfelder in einer Spule auch elektrische Wechselspannungen erzeugt. So wird in der Spule eine elektrische Spannung induziert, welche als "NMR-Signal" gemessen werden kann.

Experimentelle Verfahren

• CW (Continuous Wave) Verfahren. Bei diesem Verfahren wird eine Radiofrequenz langsam durchgestimmt und das Resonanzsignal der einzelnen Atome aufgenommen. Man arbeitet ind der "Frequenzdomäne" und erhält das Spektrum, eine Signalintensität als Funktion der Frequenz.

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

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