NMR im Griff

Kleine NMR-Spektrometer auf der Laborbank messen Spektren in Echtzeit

  • Abb. 1: a) Vergrößertes 1H-NMR-Spektrum (60 MHz) von CHCl3, welches die 13C-Satelliten bei 0.55% der Linienhöhe der 1H-Resonanz zeigt. b) 1H-NMR-Spektrum von Urin bei 2000- facher Vergrößerung, aufgenommen in 8 Minuten bei 60 MHz. Die Metabolitensignale überlagern bei schmaler Linienbreite (Spinsolve 60 Ultra) nicht mit dem Fuß der Wasserresonanz.Abb. 1: a) Vergrößertes 1H-NMR-Spektrum (60 MHz) von CHCl3, welches die 13C-Satelliten bei 0.55% der Linienhöhe der 1H-Resonanz zeigt. b) 1H-NMR-Spektrum von Urin bei 2000- facher Vergrößerung, aufgenommen in 8 Minuten bei 60 MHz. Die Metabolitensignale überlagern bei schmaler Linienbreite (Spinsolve 60 Ultra) nicht mit dem Fuß der Wasserresonanz.
  • Abb. 1: a) Vergrößertes 1H-NMR-Spektrum (60 MHz) von CHCl3, welches die 13C-Satelliten bei 0.55% der Linienhöhe der 1H-Resonanz zeigt. b) 1H-NMR-Spektrum von Urin bei 2000- facher Vergrößerung, aufgenommen in 8 Minuten bei 60 MHz. Die Metabolitensignale überlagern bei schmaler Linienbreite (Spinsolve 60 Ultra) nicht mit dem Fuß der Wasserresonanz.
  • Abb. 2: NMR-Spektroskopie für die chemische Analyse. a) 1H-NMR-Spektren (60 MHz) einer Lösung mit 100-facher Verdünnung. Mit Mehrfrequenzsättigung und 13C-Entkopplung können die Analytresonanzen getrennt von den 13C-Satelliten des Lösungsmittels identifiziert werden.  b) 1H-13C-HMBC-Spektrum (Heteronuclear Multiple Bond Correlation) von Ibuprofen, gemessen bei 80 MHz in 52 min.
  • Abb. 3: Verfolgung der Bildung von α-Fluoro-α,β-ungesättigten Estern bei 40 MHz. a) Die heterogene Reaktionsmischung wird durch Rühren homogenisiert und durch das Spektrometer geführt. b) Die Reaktion besteht aus drei Schritten. c) Die Deprotonierung des Eduktes (Schritt 1) und die Bildung des Produktes (Schritt 3) werden bei 293 K durch Aufnahme von 1H-NMR-Spektren in 15 s- und 10 min-Intervallen verfolgt. d) Die Zerfälle der -CHF- (oben) und Benzaldehydsignale (unten) bilden die Kinetiken der Deprotonierung und Produktbildung ab.

Unter Chemikern ist die Kernspinresonanz (NMR: nuclear magnetic resonance) ein unverzichtbares Verfahren, welches Spektren mit exklusiven Details zur molekularen Struktur und Dynamik liefert. Doch die Spektrometer sind groß, teuer und kompliziert zu bedienen.

Während andere analytische Instrumente wie Massen- und Infrarotspektrometer schon vor etlichen Jahren den Weg auf die Laborbank zur Analyse nach Bedarf gefunden haben, sind hochwertige, kompakte NMR-Spektrometer erst seit kurzem erhältlich. Diese arbeiten mit wartungsfreien Permanentmagneten und sind einfach zu bedienen. Ihre Nutzung verkürzt die Wartezeit auf ein NMR-Spektrum auf wenige Minuten, doch ist deren Feldstärke niedriger als die moderner Hochfeldspektrometer mit supraleitenden Magneten. Dennoch sind sie dank besserer Elektronik und fortgeschrittener Messmethodik besser für die chemische Analytik geeignet als ihre klotzigen Vorgänger aus den siebziger und achtziger Jahren des letzten Jahrhunderts mit ähnlichen Feldstärken.
Die NMR hat viele Anwendungsbereiche. Am häufigsten wird sie in der klinischen Bildgebung eingesetzt und ist dort als Magnetresonanztomographie (MRT) bekannt. An zweiter Stelle steht die NMR-Spektroskopie für die chemische Analytik. Darüber hinaus dient die NMR zur Charakterisierung von Lebensmitteln, porösen Medien und polymeren Materialien mit Hilfe von Relaxtionszeiten und deren Verteilungen. Anfangs wurden in den Geräten für alle drei Anwendungen Magnete mit Feldstärken im Bereich von 0.5 bis 2 T verwendet, was heute als niedrig gilt. Diese waren solange konventionelle Elektro- und Permanentmagnete, bis stärkere Felder mit supraleitenden Magneten erzeugt werden konnten. Die neueren Hochfeldmagnete müssen mit Flüssiggasen gekühlt und regelmäßig gewartet werden. Im Wesentlichen wurden die Magnete mit zunehmender Feldstärke größer und die Spektrometerelektronik mit der Zeit kleiner, so dass Chemiker sich an NMR-Spektrometer gewöhnten, die beträchtlichen Platz im Labor benötigen.
 
NMR auf der Laborbank
Die ersten kommerziellen Tischgeräte für NMR wurden in den siebziger Jahren des letzten Jahrhunderts entwickelt.

Diese Geräte konnten aber keine Spektren, sondern nur Relaxationssignale messen, die für die Charakterisierung von Lebensmitteln und Kunststoffen nützlich sind. Die Permanentmagnete dieser Relaxometer konnte man klein machen, denn zum Messen von Relaxationssignalen muss das Magnetfeld weniger homogen sein als für 1H-Spektren mit hoher Auflösung. Um die für die NMR-Spektroskopie erforderliche, extreme Feldhomogenität von 10-8 über den Durchmesser eines 5 mm-NMR-Probenröhrchens zu erreichen, wird der Magnet normalerweise viel größer als die Probe ausgelegt. Es ist nämlich äußerst schwierig, einen kleinen Spektroskopiemagneten für eine große Probe zu fertigen, denn das Feld im Probenvolumen innerhalb des Magneten muss homogen sein. Zudem sollte es außerhalb des Magneten null sein, so dass der Feldgradient von innen nach außen um so größer ist, je kleiner der Magnet ist. Praktikable Lösungen gibt es erst seit etwa 10 Jahren [1]. Seitdem sind kompakte NMR-Spektrometer erhältlich, die dank fortgeschrittener Elektronik empfindlicher sind als ihre Vorgänger vor 40 Jahren, die mit vergleichbaren Feldstärken von 1 bis 2 Tesla arbeiteten.

 
Was kompakte NMR-Spektrometer leisten
Empfindlichkeit und Auflösung sind die wichtigsten Qualitätsmerkmale von NMR-Spektrometern. Oberflächlich gesehen skalieren Auflösung proportional zur Feldstärke und Empfindlichkeit in etwa proportional zu deren 1,5-facher Potenz. Damit wird begründet, dass mit steigender Feldstärke sowohl Auflösung als auch Empfindlichkeit zunehmen. Aber in der NMR-Spektroskopie ist auch die Linienform wichtig. Für kleine Moleküle in Lösung ist die Linie um so schmaler, je homogener das Magnetfeld ist. Wenn die Linienbreite um einen Faktor zwei reduziert werden kann, erhöht sich nicht nur die Auflösung um diesen Wert, sondern auch die Linienhöhe, so dass sich das Signal-zu-Rauschverhältnis im Spektrum verdoppelt. Dagegen erfordert eine Verdopplung der Auflösung bei gegebener Linienbreite die doppelte Feldstärke. Eine Verdopplung der Empfindlichkeit verlangt eine Erhöhung der Feldstärke um einen Faktor 22/3 ≈ 1,6. Mit anderen Worten, ein 60 MHz-NMR-Spektrometer mit der doppelten Feldhomogenität eines 80 MHz-Spektrometers kann in Empfindlichkeit und Auflösung das 80 MHz-Spektrometer übertreffen.
Zum Beispiel ist die 1H-Linienbreite des Spinsolve 60 Ultra Tischspektrometers (Magritek) ohne Probenrotation mindestens so gut wie die eines Hochfeldspektrometers mit Probenrotation. Auf halber Höhe ist die Linie 0,11 Hz breit und die Breite des Fußes bei 0,11% der Linienhöhe beträgt weniger als 8 Hz (Abb. 1a). Damit können Lösungsmittelsignale gut unterdrückt und kleine Linien neben großen erkannt werden, wie z. B. die Metabolitensignale im Urin neben der 2000-mal höheren Wasserlinie (Abb. 1b). Dieses Beispiel demonstriert sehr schön die bemerkenswerten analytischen Fähigkeiten kompakter Niederfeld-NMR-Spektrometer. Da sie klein sind, passen sie in den Abzug oder die Glovebox und eignen sich zur sofortigen Untersuchung gefährlicher Substanzen und anderer Reaktionsprodukte ohne Zeitverzug durch Warteschleifen. Ein solches Tischgerät kostet nur etwa so viel wie ein Probenkopf für ein Hochfeldspektrometer. Demzufolge ist es meist nur für ein oder zwei Kerne ausgelegt, zum Beispiel für 1H (zusammen mit 19F) und 13C oder für 1H/19F und 31P [2].
 
NMR-Spektroskopie für die chemische Analyse
Niederfeld-NMR-Spektrometer mit einem externen Feld-Frequenz-Lock benötigen keine deuterierten Lösungsmittel, da Strahlungsdämpfung eher bei hohen Feldern problematisch ist. Um aber schwache Analytsignale neben starken Lösungsmittelsignalen zu identifizieren, können letztere mit modernen Spektrometern bei mehreren Frequenzen gesättigt werden. Dabei verbleiben die 13C-Satelliten im 1H-Spektrum. Sie werden mit 13C-Entkopplung eliminiert, um die Analytsignale bei 50- bis 100-facher Vergrößerung eindeutig zu erkennen (Abb. 2a).
Während 1H-NMR Spektren bei gängiger 50 bis 100 mM Analytkonzentration typischerweise mit 4 Scans in einer Minute gemessen werden, können 13C-Spektren aufgrund niedrigerer Frequenz und geringerer Konzentration der 13C-Kerne für 400 mM Lösungen bei 2 T (80 MHz 1H-NMR-Frequenz) schon eine Stunde und mehr benötigen. Standard-Pulssequenzen wie DEPT (Distortionless Enhancement of Polarization Transfer) und viele homo- und heteronuklear 2D-Experimente können mit einem einfachen Mausklick aufgerufen werden. So benötigt ein 13C-1H-HMBC-Spektrum (Heteronuclear Multiple Bond Correlation) von Ibuprofen bei 80 MHz 1H-NMR-Frequenz weniger als eine Stunde Messzeit (Abb. 2b).
 
Verfolgung chemischer Reaktionen
Kompakte Spektrometer eigenen sich hervorragend für die Verfolgung chemischer Reaktionen und Anwendungen in der Prozesskontrolle, denn sie funktionieren in sehr unterschiedlichen Umgebungen. Zudem ist die Zuführung vom Reaktor zum Detektionsvolumen im Magneten kurz. Heterogene Reaktionsgemische können durch Rühren im Reaktor außerhalb des Spektrometers homogenisiert und Spektren in kurzen Zeitintervallen von 15 s aufgenommen werden. Zum Beispiel konnte die Bildung von α-Fluoro-α,β-ungesättigten Estern bei 40 kHz über 17 h verfolgt werden (Abb. 3), wobei die Kinetiken der schnellen Deprotonierung und der langsamen Produktbildung auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen für eine detaillierte Analyse durch Modellierung aufgelöst werden konnten [4].
 
Ein Blick in die Zukunft
Relaxometer zur Materialanalyse bildeten den Anfang der Entwicklung zu kompakten NMR-Spektrometern, die heute mehr analytische Leistung zeigen als die voluminösen Routine-NMR-Spektrometer gleicher Feldstärke vor 40 Jahren [3]. Sie können auf der Laborbank, in der Glovebox und als Sensoren für die Prozesskontrolle und Reaktionsüberwachung eingesetzt werden [2]. Eines Tages mag es noch kleinere, personalisierte NMR-Spektrometer für den Preis eines hochwertigen Smartphones geben, mit denen die Entwicklung der Metabolitkonzentrationen im Urin zu Hause verfolgt werden kann. Solche Spektrometer wären ein Hilfsmittel auf dem Weg von der heilenden zur vorsorgenden Medizin, mit dem die Funktion des menschlichen Körpers als chemischer Reaktor, der Nahrung in Energie umwandelt, verfolgt werden kann und so aufkommende Krankheiten früh erkannt werden können [1,3].
 
 
Author
Bernhard Blümich

 

Kontakt   
Prof. Bernhard Blümich
Institut für Technische und Makromolekulare Chemie
RWTH Aachen University, Aachen, Germany
bluemich@itmc.rwth-aachen.de

 

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Literatur

[1] B. Blümich, K. Singh, Desktop NMR and Its Applications From Materials Science To Organic Chemistry, Angew. Chem. Int. Ed. 56 (2018) 2–17; Doi 10.1002/anie.201707084
[2] E. Pretsch, B. Blümich, eds., SI: Compact NMR, Trends Anal. Chem. 83 A (2016) 1-120.
[3] B. Blümich, S. Haber-Pohlmeier, W. Zia, Compact NMR, de Gruyter, Berlin, 2000.
[4] D. Weidener, K. Singh, B. Blümich, Synthesis of α-Fluoro-α,β-unsaturated esters monitored by 1D and 2D benchtop NMR Spectroscopy, manuscript in preparation.

 

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