Lexikon der Medizinischen Laboratoriumsdiagnostik
Autoren
B. Güssregen

NMR-Spektrometrie

NMR-Spektrometrie
Synonym(e)
Kernresonanzspektroskopie; kernmagnetische Resonanz-Spektrometrie/-Spektroskopie
Englischer Begriff
nuclear magnetic resonance spectroscopy
Definition
Bei der NMR-Spektrometrie handelt es sich um ein analytisches Verfahren, das auf der Wechselwirkung zwischen Atomkernen und elektromagnetischer Strahlung in einem starken Magnetfeld basiert (Abb. 1).
Beschreibung
Die NMR-Spektrometrie wurde im Jahr 1946 von Purcell und Bloch entdeckt, wofür sie im Jahr 1952 den Nobelpreis für Physik bekamen. Sie stellt bis heute eine der leistungsfähigsten instrumentellen Analysenmethoden in der Chemie dar und ist unverzichtbar bei der Strukturaufklärung von kleineren Molekülen bis hin zu Proteinen. Die NMR-Spektroskopie nutzt die Wechselwirkung zwischen Atomkernen und elektromagnetischer Strahlung in einem starken Magnetfeld. Die meisten Atomkerne, wie z. B.1H,13C, 19F oder31P, besitzen auch in ihrem Grundzustand einen von Null verschiedenen Kernspin. Mit diesem Kernspin ist ein magnetisches Moment μ verbunden, d. h. eine kleine Magnetisierung ähnlich einer Kompassnadel. Bringt man Atomkerne mit einem Kernspin in ein starkes äußeres Magnetfeld, dann richten sich die Kernspins entweder parallel oder antiparallel zum Magnetfeld aus, wobei die parallele Ausrichtung energetisch günstiger ist. Die Energiedifferenzen zwischen den unterschiedlich orientierten Kernspinmomenten sind abhängig vom kernmagnetischen Moment des entsprechenden Atomkerns sowie von der Stärke des angelegten äußeren Magnetfelds und liegen im Energiebereich langwelliger elektromagnetischer Strahlung. Entspricht die Frequenz einer eingestrahlten Radiowelle dieser Energiedifferenz, dann kommt es zur magnetischen Resonanz.
In den heute verwendeten NMR-Spektrometern liegt die Frequenz der verwendeten Strahlung je nach Magnetfeld bei 60–800 MHz, also etwa im UKW- und Fernsehbereich. Die genaue Resonanzfrequenz für einen bestimmten Atomkern innerhalb eines Moleküls hängt von dessen chemischer Umgebung (Molekülstruktur) ab. Die Unterschiede zwischen den Resonanzfrequenzen von verschiedenen Wasserstoffatomen sind sehr gering und liegen im ppm-Bereich („parts per million“), betragen also nur Millionstel der absoluten Resonanzfrequenz.
NMR-Spektren werden üblicherweise in Lösung in einem protonenfreien Lösungsmittel (z. B. CDCl3) aufgenommen. Da es sich um eine recht unempfindliche Messmethode handelt, sind die erforderlichen Konzentrationen der Analyten recht hoch. Üblicherweise werden für ein1H-NMR-Spektrum 5–10 mg/mL benötigt, für ein13C-NMR-Spektrum werden aufgrund der geringen natürlichen Häufigkeit von13C Atomkernen 10–30 mg/mL benötigt. Als Referenzsubstanz zur Fixierung des Nullpunktes wird der Probe häufig Tetramethylsilan (TMS) zugesetzt. Zur Interpretation von NMR-Spektren wird die Lage der Resonanz, ausgedrückt in ppm, herangezogen. Diese ist charakteristisch für die chemische Umgebung des die Resonanz verursachenden Atomkerns, gibt damit Hinweise auf die Molekülstruktur. Die Intensität des Resonanzsignals ist proportional zu der Anzahl der Atomkerne, welche die Resonanz verursachen. Das Aufspaltungsmuster (Feinstruktur) des Signals erlaubt Rückschlüsse auf Nachbarschaftsbeziehungen und damit auf die Molekülstruktur.
Anwendung findet die NMR-Spektrometrie in der klinischen Chemie bei der Diagnose von Stoffwechselstörungen.
Literatur
Friebolin H (2006) Ein- und zweidimensionale NMR-Spektroskopie – Eine Einführung, 4. Aufl. Wiley-VCH, Weinheim
Wevers RA, Engelke UFH, Moolenaar SH et al (1999) 1H-NMR spectroscopy of body fluids: inborn errors of purine and pyrimidine metabolism. Clin Chem 45:539–548PubMed