Kernspinresonanz

Bruker 700 MHz Kernspinresonanzspektrometer (NMR). ⓘ

Kernspinresonanz (NMR) - Grundprinzipien ⓘ

Die kernmagnetische Resonanz (NMR) ist ein physikalisches Phänomen, bei dem Kerne in einem starken konstanten Magnetfeld durch ein schwaches oszillierendes Magnetfeld (im Nahfeld) gestört werden und mit der Erzeugung eines elektromagnetischen Signals mit einer für das Magnetfeld am Kern charakteristischen Frequenz reagieren. Dieser Vorgang findet in der Nähe der Resonanz statt, wenn die Schwingungsfrequenz mit der Eigenfrequenz der Kerne übereinstimmt, die von der Stärke des statischen Magnetfeldes, der chemischen Umgebung und den magnetischen Eigenschaften des betreffenden Isotops abhängt; bei praktischen Anwendungen mit statischen Magnetfeldern bis zu ca. 20 Tesla ist die Frequenz ähnlich wie bei VHF- und UHF-Fernsehübertragungen (60-1000 MHz). Die NMR resultiert aus den spezifischen magnetischen Eigenschaften bestimmter Atomkerne. Die Kernspinresonanzspektroskopie wird häufig zur Bestimmung der Struktur organischer Moleküle in Lösung und zur Untersuchung der Molekülphysik sowie von Kristallen und nichtkristallinen Materialien eingesetzt. Die NMR wird auch routinemäßig bei fortschrittlichen medizinischen Bildgebungsverfahren eingesetzt, z. B. bei der Magnetresonanztomographie (MRT). ⓘ

Die am häufigsten verwendeten Kerne sind ¹
H
und ¹³
C
obwohl auch Isotope vieler anderer Elemente, wie z. B. ¹⁹
F
können ebenfalls mit der Hochfeld-NMR-Spektroskopie untersucht werden. Um mit dem Magnetfeld des Spektrometers in Wechselwirkung treten zu können, muss der Kern ein eigenes magnetisches Kernmoment und einen Eigendrehimpuls besitzen. Dies ist der Fall, wenn ein Isotop einen Kernspin ungleich Null hat, d. h. eine ungerade Anzahl von Protonen und/oder Neutronen (siehe Isotop). Nuklide mit einer geraden Anzahl von Protonen und Neutronen haben einen Gesamtspin von Null und sind daher NMR-inaktiv. ⓘ

Ein wesentliches Merkmal der NMR ist, dass die Resonanzfrequenz einer bestimmten Probensubstanz in der Regel direkt proportional zur Stärke des angelegten Magnetfelds ist. Diese Eigenschaft wird bei bildgebenden Verfahren ausgenutzt; wird eine Probe in ein ungleichmäßiges Magnetfeld gebracht, so hängen die Resonanzfrequenzen der Kerne der Probe davon ab, wo im Feld sie sich befinden. Da die Auflösung des bildgebenden Verfahrens von der Größe des Magnetfeldgradienten abhängt, werden viele Anstrengungen unternommen, um eine höhere Gradientenfeldstärke zu entwickeln. ⓘ

Das Prinzip der NMR umfasst in der Regel drei aufeinander folgende Schritte:

• Die Ausrichtung (Polarisation) der magnetischen Kernspins in einem angelegten, konstanten Magnetfeld B₀.
• Die Störung dieser Ausrichtung der Kernspins durch ein schwaches oszillierendes Magnetfeld, das üblicherweise als Hochfrequenzimpuls (HF) bezeichnet wird. Die für eine signifikante Störung erforderliche Oszillationsfrequenz hängt vom statischen Magnetfeld (B₀) und den zu beobachtenden Kernen ab.
• Der Nachweis des NMR-Signals während oder nach dem HF-Puls erfolgt aufgrund der Spannung, die in einer Detektionsspule durch die Präzession der Kernspins um B₀ induziert wird. Nach einem HF-Puls erfolgt die Präzession in der Regel mit der Larmor-Eigenfrequenz der Kerne und ist an sich nicht mit Übergängen zwischen Spinzuständen oder Energieniveaus verbunden. ⓘ

Die beiden Magnetfelder werden in der Regel so gewählt, dass sie senkrecht zueinander stehen, da dies die Stärke des NMR-Signals maximiert. Die Frequenzen der Zeitsignalantwort durch die Gesamtmagnetisierung (M) der Kernspins werden in der NMR-Spektroskopie und der Magnetresonanztomographie analysiert. In beiden Fällen wird ein starkes Magnetfeld (B₀) angelegt, das häufig durch große Ströme in supraleitenden Spulen erzeugt wird, um eine Dispersion der Antwortfrequenzen und eine sehr hohe Homogenität und Stabilität zu erreichen, damit eine spektrale Auflösung erzielt werden kann, deren Einzelheiten durch chemische Verschiebungen, den Zeeman-Effekt und Ritterverschiebungen (in Metallen) beschrieben werden. Die von der NMR gelieferte Information kann auch durch Hyperpolarisation und/oder durch zweidimensionale, dreidimensionale und höherdimensionale Techniken erhöht werden. ⓘ

NMR-Phänomene werden auch in der Niederfeld-NMR, der NMR-Spektroskopie und der MRT im Erdmagnetfeld (als Erdfeld-NMR bezeichnet) sowie in verschiedenen Arten von Magnetometern genutzt. ⓘ

Die Kernspinresonanz beruht auf der Larmorpräzession der Kernspins um die Achse des konstanten Magnetfelds. Durch die Emission oder Absorption von magnetischen Wechselfeldern, die mit der Larmorpräzession in Resonanz sind, ändern die Kerne die Orientierung ihrer Spins zum Magnetfeld. Wird mittels einer Antennenspule das emittierte Wechselfeld beobachtet, spricht man auch von Kerninduktion. Die Absorption eines eingestrahlten Wechselfelds wird anhand des Energieübertrags zu den Kernspins beobachtet. ⓘ

Die Resonanzfrequenz ist proportional zur Stärke des Magnetfelds am Ort des Kerns und zum Verhältnis des magnetischen Dipolmoments des Kerns zu seinem Spin (gyromagnetisches Verhältnis). Die Amplitude des gemessenen Signals ist u. a. proportional zur Konzentration der betreffenden Art von Kernen (Nuklid) in der Probe. Die Amplitude und besonders die Frequenz der Kernspinresonanz sind mit sehr hoher Genauigkeit messbar. Das gestattet detaillierte Rückschlüsse sowohl auf den Aufbau der Kerne als auch auf ihre sonstigen Wechselwirkungen mit der näheren und weiteren atomaren Umgebung. ⓘ

Voraussetzung der Kernspinresonanz ist ein Kernspin ungleich Null. Am häufigsten werden die Kerne der Isotope ¹H und ¹³C zur Beobachtung der Kernspinresonanz genutzt. Weitere untersuchte Kerne sind ²H, ⁶Li, ¹⁰B, ¹⁴N, ¹⁵N, ¹⁷O, ¹⁹F, ²³Na, ²⁹Si, ³¹P, ³⁵Cl, ¹¹³Cd, ¹²⁹Xe, ¹⁹⁵Pt u. v. a., jeweils in ihrem Grundzustand. Ausgeschlossen sind alle Kerne mit gerader Protonenzahl und Neutronenzahl, sofern sie sich nicht in einem geeigneten angeregten Zustand mit Spin ungleich Null befinden. In einigen Fällen wurde die Kernspinresonanz an Kernen in einem genügend langlebigen angeregten Zustand beobachtet. ⓘ

Zur analogen Beobachtung bei Elektronen siehe Elektronenspinresonanz. ⓘ

Geschichte

Kernspinresonanz im engeren Sinne, also die Änderung des Einstellwinkels der Kernspins zum statischen äußeren Magnetfeld ohne wesentliche Mitwirkung der Atomhülle an der Präzessionsbewegung, wurde 1946 erstmals auf zwei verschiedenen Wegen realisiert. Edward Mills Purcell nutzte zum Nachweis der Resonanz den Energieübertrag aus dem magnetischen Wechselfeld auf die Kernspins und weiter in deren atomare Umgebung. Felix Bloch beobachtete die Wechselspannung, die von dem präzedierenden Dipolmoment der Kerne in einer Spule induziert wird, wenn dies im Resonanzfall nicht mehr parallel zur Richtung des statischen Felds liegt (Methode der „Kerninduktion“). Voraussetzung ist, dass das statische Magnetfeld eine möglichst starke Polarisierung der Kernspins bewirkt, was die Geräteentwicklung zu immer stärkeren Magnetfeldern hin orientiert hat (heute mit supraleitenden Spulen bis 24 Tesla). Diese Methoden ermöglichten nun Messungen an flüssiger und fester Materie und eine weitere Erhöhung der Messgenauigkeit auf bald 6–8 Dezimalstellen. Entsprechend genau waren die damit erhaltenen Messwerte für die magnetischen Kernmomente. In Umkehrung der Fragestellung wurde die Kernspinresonanz so auch zur gebräuchlichen Methode bei der Präzisionsbestimmung von Magnetfeldern. Zudem wurden verschiedene zusätzliche Einflüsse der atomaren Umgebung auf das am Ort der Kerne wirkende Magnetfeld messbar, die zwar klein sind, aber detaillierte Rückschlüsse über Aufbau und Bindungsverhältnisse der Moleküle und ihre gegenseitige Beeinflussung ermöglichen. Daher ist die Kernspinresonanzspektroskopie bis heute eine Standardmethode in der chemischen Strukturforschung und eines der wichtigsten Instrumente der analytischen organischen Chemie. ⓘ

Anwendungen in der Chemie wurden zunächst für unwahrscheinlich gehalten. Zu den Pionieren gehörte Rex Edward Richards in England, der von Linus Pauling darin unterstützt wurde, nicht auf Skeptiker zu hören. In der Gruppe von Felix Bloch nahm Martin Everett Packard 1946 zuerst das NMR-Spektrum eines organischen Moleküls auf. Ein Durchbruch für den kommerziellen Markt der Verwendung von NMR-Spektrometern in der organischen Chemie war das NMR-Spektrometer A-60 von Varian Associates, entwickelt 1961 von James Shoolery bei Varian, der auch als wesentliche Arbeit in der Verbreitung von Kenntnissen über NMR unter Chemikern leistete und in dessen Popularisierung. Ein weiterer Pionier der NMR-Spektroskopie in der organischen Chemie war John D. Roberts. ⓘ

Die magnetische Kernresonanz wurde erstmals 1938 von Isidor Rabi in Erweiterung des Stern-Gerlach-Experiments beschrieben und in Molekularstrahlen gemessen. 1944 erhielt Rabi für diese Arbeit den Nobelpreis für Physik. Im Jahr 1946 erweiterten Felix Bloch und Edward Mills Purcell die Technik für den Einsatz in Flüssigkeiten und Festkörpern, wofür sie 1952 gemeinsam den Nobelpreis für Physik erhielten. ⓘ

Jewgeni Zavoisky beobachtete die kernmagnetische Resonanz wahrscheinlich bereits 1941, also lange vor Felix Bloch und Edward Mills Purcell, verwarf die Ergebnisse jedoch als nicht reproduzierbar. ⓘ

Russell H. Varian meldete am 24. Juli 1951 das U.S.-Patent 2.561.490 "Method and means for correlating nuclear properties of atoms and magnetic fields" an. Varian Associates entwickelte 1952 das erste NMR-Gerät namens NMR HR-30. ⓘ

Purcell hatte während des Zweiten Weltkriegs im Strahlungslabor des Massachusetts Institute of Technology an der Entwicklung des Radars gearbeitet. Seine Arbeiten im Rahmen dieses Projekts zur Erzeugung und zum Nachweis von Hochfrequenzenergie und zur Absorption solcher Hochfrequenzenergie durch Materie bildeten die Grundlage für seine Entdeckung der NMR in loser Materie. ⓘ

Rabi, Bloch und Purcell beobachteten, dass magnetische Kerne, wie ¹
H
und ³¹
P
, HF-Energie absorbieren können, wenn sie sich in einem Magnetfeld befinden und die HF-Frequenz spezifisch für die Identität der Kerne ist. Wenn diese Absorption auftritt, spricht man von einer Resonanz des Kerns. Verschiedene Atomkerne innerhalb eines Moleküls schwingen bei gleicher Magnetfeldstärke mit unterschiedlichen (Radio-)Frequenzen. Die Beobachtung dieser magnetischen Resonanzfrequenzen der in einem Molekül vorhandenen Kerne ermöglicht es einem geschulten Anwender, wesentliche chemische und strukturelle Informationen über das Molekül zu entdecken. ⓘ

Die Entwicklung der NMR als Technik in der analytischen Chemie und Biochemie verläuft parallel zur Entwicklung der elektromagnetischen Technologie und der fortgeschrittenen Elektronik und ihrer Einführung in die zivile Nutzung. ⓘ

Theorie der magnetischen Kernresonanz

Kernspin und Magnete

Alle Nukleonen, d. h. Neutronen und Protonen, aus denen ein Atomkern besteht, haben die Quanteneigenschaft des Spins, eines Eigendrehimpulses, der dem klassischen Drehimpuls einer rotierenden Kugel entspricht. Der Gesamtspin des Kerns wird durch die Spinquantenzahl S bestimmt. Wenn die Anzahl der Protonen und Neutronen in einem bestimmten Nuklid gerade ist, ist S = 0, d. h. es gibt keinen Gesamtspin. So wie sich Elektronen in nicht entarteten Atomorbitalen paaren, tun dies auch geradzahlige Protonen oder geradzahlige Neutronen (die beide ebenfalls Spin-1/2-Teilchen und somit Fermionen sind), was einen Gesamtspin von Null ergibt. ⓘ

Ein Protonen- und Neutronenspinvektor, der sich entgegengesetzt zum äußeren Magnetfeldvektor ausrichtet, hat jedoch eine geringere Energie, wenn seine Spins parallel und nicht antiparallel sind. Diese parallele Ausrichtung der Spins unterscheidbarer Teilchen verstößt nicht gegen das Pauli-Ausschlussprinzip. Die Verringerung der Energie bei parallelen Spins hat mit der Quarkstruktur dieser beiden Nukleonen zu tun. So entspricht der Spin-Grundzustand des Deuterons (der Kern des Deuteriums, des ²H-Isotops des Wasserstoffs), das nur aus einem Proton und einem Neutron besteht, einem Spinwert von 1 und nicht von Null. Andererseits muss das Tritium-Isotop des Wasserstoffs aufgrund des Pauli-Ausschlussprinzips ein Paar Neutronen mit antiparallelem Spin (mit dem Gesamtspin Null für das Neutron-Spin-Paar) sowie ein Proton mit dem Spin 1/2 haben. Der Gesamtkernspin von Tritium ist also ebenfalls 1/2, genau wie bei dem einfacheren, häufig vorkommenden Wasserstoffisotop, dem ¹H-Kern (dem Proton). Die NMR-Absorptionsfrequenz für Tritium ist ebenfalls ähnlich wie die von ¹H. In vielen anderen Fällen von nicht radioaktiven Kernen ist der Gesamtspin ebenfalls ungleich Null. Zum Beispiel ist der ²⁷
Al
Kern hat einen Gesamtspin von S = 5⁄2. ⓘ

Ein Spin ungleich Null ${\vec {S}}$ ist immer mit einem magnetischen Dipolmoment ungleich Null verbunden, ${\vec {\mu }}$verbunden, und zwar über die Beziehung

$${\vec {\mu }}=\gamma {\vec {S}}$$

wobei γ das gyromagnetische Verhältnis ist. Klassischerweise entspricht dies der Proportionalität zwischen dem Drehimpuls und dem magnetischen Dipolmoment einer rotierenden geladenen Kugel, die beide Vektoren parallel zur Rotationsachse sind, deren Länge proportional zur Rotationsfrequenz zunimmt. Das magnetische Moment und seine Wechselwirkung mit Magnetfeldern ermöglichen die Beobachtung von NMR-Signalen, die mit Übergängen zwischen Kernspinniveaus während resonanter HF-Bestrahlung oder durch Larmor-Präzession des durchschnittlichen magnetischen Moments nach resonanter Bestrahlung verbunden sind. Nuklide mit einer geraden Anzahl von Protonen und Neutronen haben ein magnetisches Kerndipolmoment von Null und weisen daher kein NMR-Signal auf. Zum Beispiel: ¹⁸
O
ist ein Beispiel für ein Nuklid, das kein NMR-Signal erzeugt, während ¹³
C
, ³¹
P
, ³⁵
Cl
und ³⁷
Cl
Nuklide sind, die NMR-Spektren aufweisen. Die beiden letztgenannten Kerne haben einen Spin S > 1/2 und sind somit quadrupolare Kerne. ⓘ

Die Elektronenspinresonanz (ESR) ist eine verwandte Technik, bei der Übergänge zwischen elektronischen und nicht nuklearen Spin-Niveaus nachgewiesen werden. Die Grundprinzipien sind ähnlich, aber die Instrumentierung, die Datenanalyse und die detaillierte Theorie unterscheiden sich erheblich. Außerdem ist die Zahl der Moleküle und Materialien mit ungepaarten Elektronenspins, die eine ESR-Absorption (oder paramagnetische Elektronenresonanz (EPR)) aufweisen, viel geringer als die der NMR-Absorptionsspektren. Andererseits hat ESR ein viel höheres Signal pro Spin als NMR. ⓘ

Werte des Spin-Drehimpulses

Der Kernspin ist ein Eigendrehimpuls, der quantisiert ist. Das bedeutet, dass der Betrag dieses Drehimpulses quantisiert ist (d. h. S kann nur einen begrenzten Wertebereich annehmen) und dass auch die x-, y- und z-Komponenten des Drehimpulses quantisiert sind, indem sie auf ganz- oder halbzahlige Vielfache von ħ beschränkt sind. Die ganz- oder halbzahlige Quantenzahl, die der Spin-Komponente entlang der z-Achse oder dem angelegten Magnetfeld zugeordnet ist, wird als magnetische Quantenzahl m bezeichnet und kann Werte von +S bis -S in ganzzahligen Schritten annehmen. Somit gibt es für einen beliebigen Kern insgesamt 2S + 1 Drehimpulszustände. ⓘ

Die z-Komponente des Drehimpulsvektors (${\vec {S}}$) ist daher Sz = mħ, wobei ħ die reduzierte Planck-Konstante ist. Die z-Komponente des magnetischen Moments ist einfach:

$$\mu _{z}=\gamma S_{z}=\gamma m\hbar .$$

ⓘ

Spinenergie in einem Magnetfeld

Aufspaltung der Spinenergie von Kernen in einem äußeren Magnetfeld ⓘ

Ein intuitives Modell. Kerne mit Spin haben magnetische Momente (spin magnetic moments). An sich gibt es keinen energetischen Unterschied für eine bestimmte Ausrichtung des Kernmagneten (nur ein Energiezustand, links), aber in einem externen Magnetfeld gibt es einen hochenergetischen Zustand und einen niederenergetischen Zustand, je nach relativer Ausrichtung des Magneten zum externen Feld, und im thermischen Gleichgewicht wird die niederenergetische Ausrichtung bevorzugt. Die durchschnittliche Ausrichtung des magnetischen Moments wird um das Feld herum präzessiert. Das äußere Feld kann durch einen großen Magneten und auch durch andere Kerne in der Nähe erzeugt werden. ⓘ

Betrachten wir Kerne mit einem halben Spin, wie ¹
H
, ¹³
C
oder ¹⁹
F
. Jeder Kern hat zwei linear unabhängige Spinzustände mit m = 1/2 oder m = -1/2 (auch als Spin-up und Spin-down oder manchmal als α- und β-Spinzustände bezeichnet) für die z-Komponente des Spins. In Abwesenheit eines Magnetfeldes sind diese Zustände entartet, d. h. sie haben die gleiche Energie. Daher ist die Anzahl der Kerne in diesen beiden Zuständen bei thermischem Gleichgewicht im Wesentlichen gleich. ⓘ

Wird ein Kern jedoch in ein Magnetfeld gebracht, haben die beiden Zustände aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Dipolmoment des Kerns und dem äußeren Magnetfeld nicht mehr dieselbe Energie. Die Energie eines magnetischen Dipolmoments ${\vec {\mu }}$ in einem Magnetfeld B₀ ist gegeben durch:

$$E=-{\vec {\mu }}\cdot \mathbf {B} _{0}=-\mu _{x}B_{0x}-\mu _{y}B_{0y}-\mu _{z}B_{0z}.$$

ⓘ

Normalerweise wird die z-Achse entlang B₀ gewählt, und der obige Ausdruck reduziert sich auf:

$$E=-\mu _{\mathrm {z} }B_{0}\,,$$

oder alternativ:

$$E=-\gamma m\hbar B_{0}\,.$$

ⓘ

Infolgedessen haben die verschiedenen Kernspinzustände in einem Magnetfeld ungleich Null unterschiedliche Energien. In einer weniger formalen Sprache kann man sagen, dass die beiden Spin-Zustände eines Spin 1/2 entweder mit oder gegen das Magnetfeld ausgerichtet sind. Wenn γ positiv ist (was bei den meisten in der NMR verwendeten Isotopen der Fall ist), ist m = 1/2 der Zustand mit der niedrigeren Energie. ⓘ

Der Energieunterschied zwischen den beiden Zuständen beträgt:

$$\Delta {E}=\gamma \hbar B_{0}\,,$$

Daraus ergibt sich ein kleiner Populationsvorteil, der den Zustand mit niedrigerer Energie im thermischen Gleichgewicht begünstigt. Da mehr Spins nach oben als nach unten zeigen, ergibt sich eine Nettomagnetisierung der Spins entlang des Magnetfelds B₀. ⓘ

Präzession der Spinmagnetisierung

Ein zentrales Konzept in der NMR ist die Präzession der Spinmagnetisierung um das Magnetfeld am Kern, mit der Winkelfrequenz

$$\omega =-\gamma B$$

wobei $\omega =2\pi \nu$ sich auf die Schwingungsfrequenz bezieht $\nu$ und B die Stärke des Feldes ist. Dies bedeutet, dass sich die Spinmagnetisierung, die proportional zur Summe der Spinvektoren der Kerne an magnetisch äquivalenten Orten ist (der Erwartungswert des Spinvektors in der Quantenmechanik), auf einem Kegel um das B-Feld bewegt. Dies ist vergleichbar mit der Präzessionsbewegung der Achse eines gekippten Kreisels um das Gravitationsfeld. In der Quantenmechanik, $\omega$ die Bohrsche Frequenz $\Delta {E}/\hbar$ des $S_{x}$ und $S_{y}$ Erwartungswerte. Die Präzession der Nicht-Gleichgewichtsmagnetisierung im angelegten Magnetfeld B₀ erfolgt mit der Larmor-Frequenz

$$\omega _{L}=2\pi \nu _{L}=-\gamma B_{0},$$

ohne Änderung der Populationen der Energieniveaus, da die Energie konstant ist (zeitunabhängiger Hamiltonian). ⓘ

Magnetische Resonanz und Hochfrequenzimpulse

Eine Störung der Kernspinorientierungen aus dem Gleichgewicht tritt nur dann auf, wenn ein oszillierendes Magnetfeld angelegt wird, dessen Frequenz ν_rf hinreichend genau der Larmor-Präzessionsfrequenz ν_L der Kernmagnetisierung entspricht. Die Populationen der Spin-up- und -down-Energieniveaus unterliegen dann Rabi-Oszillationen, die sich am einfachsten anhand der Präzession der Spinmagnetisierung um das effektive Magnetfeld in einem mit der Frequenz ν_rf rotierenden Bezugssystem analysieren lassen. Je stärker das oszillierende Feld ist, desto schneller sind die Rabi-Oszillationen oder die Präzession um das effektive Feld im rotierenden Rahmen. Nach einer bestimmten Zeit in der Größenordnung von 2-1000 Mikrosekunden kippt ein resonanter HF-Impuls die Spinmagnetisierung in die Transversalebene, d. h. er bildet einen Winkel von 90° mit dem konstanten Magnetfeld B₀ ("90°-Impuls"), während nach einer doppelt so langen Zeit die ursprüngliche Magnetisierung invertiert ist ("180°-Impuls"). Es ist die transversale Magnetisierung, die durch ein resonantes, oszillierendes Feld erzeugt wird, das normalerweise in der NMR während der Anwendung des relativ schwachen HF-Feldes in der altmodischen kontinuierlichen NMR oder nach dem relativ starken HF-Puls in der modernen gepulsten NMR nachgewiesen wird. ⓘ

Chemische Abschirmung

Aus den obigen Ausführungen könnte man schließen, dass alle Kerne desselben Nuklids (und damit desselben γ) bei genau derselben Frequenz in Resonanz treten würden. Dies ist jedoch nicht der Fall. Die wichtigste Störung der NMR-Frequenz für NMR-Anwendungen ist die "abschirmende" Wirkung der umgebenden Elektronenschalen. Ähnlich wie der Kern sind auch die Elektronen geladen und rotieren mit einem Spin, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das dem angelegten Magnetfeld entgegengesetzt ist. Im Allgemeinen verringert diese elektronische Abschirmung das Magnetfeld am Kern (das die NMR-Frequenz bestimmt). Infolgedessen verringert sich auch die zum Erreichen der Resonanz erforderliche Frequenz. Diese Verschiebung der NMR-Frequenz aufgrund der elektronischen Kopplung der Molekülorbitale an das äußere Magnetfeld wird als chemische Verschiebung bezeichnet und erklärt, warum die NMR in der Lage ist, die chemische Struktur von Molekülen zu untersuchen, die von der Elektronendichteverteilung in den entsprechenden Molekülorbitalen abhängt. Wenn ein Kern in einer bestimmten chemischen Gruppe durch eine höhere Elektronendichte des ihn umgebenden Molekülorbitals stärker abgeschirmt wird, wird seine NMR-Frequenz "nach oben" verschoben (d. h. eine geringere chemische Verschiebung), während seine NMR-Frequenz "nach unten" verschoben wird (d. h. eine höhere chemische Verschiebung), wenn er durch eine solche umgebende Elektronendichte weniger abgeschirmt wird. ⓘ

Sofern die lokale Symmetrie solcher Molekülorbitale nicht sehr hoch ist (was zu einer "isotropen" Verschiebung führt), hängt die abschirmende Wirkung von der Ausrichtung des Moleküls in Bezug auf das externe Feld (B₀) ab. In der Festkörper-NMR-Spektroskopie ist das Spinning mit magischem Winkel erforderlich, um diese Orientierungsabhängigkeit auszugleichen, damit Frequenzwerte mit den durchschnittlichen oder isotropen chemischen Verschiebungen erhalten werden können. Bei konventionellen NMR-Untersuchungen von Molekülen in Lösung ist dies nicht erforderlich, da das schnelle "molekulare Taumeln" die Anisotropie der chemischen Verschiebung (CSA) ausgleicht. In diesem Fall wird die "mittlere" chemische Verschiebung (ACS) oder isotrope chemische Verschiebung oft einfach als chemische Verschiebung bezeichnet. ⓘ

Relaxation

Visualisierung der T₁- und T₂-Relaxationszeiten. ⓘ

Der Prozess der Populationsrelaxation bezieht sich auf Kernspins, die im Magneten ins thermodynamische Gleichgewicht zurückkehren. Dieser Prozess wird auch als T₁-, "Spin-Gitter"- oder "longitudinale magnetische" Relaxation bezeichnet, wobei sich T₁ auf die mittlere Zeit bezieht, die ein einzelner Kern benötigt, um in seinen thermischen Gleichgewichtszustand der Spins zurückzukehren. Nachdem sich die Kernspinpopulation entspannt hat, kann sie wieder untersucht werden, da sie sich im ursprünglichen (gemischten) Gleichgewichtszustand befindet. ⓘ

Die vorauseilenden Kerne können auch aus ihrer Ausrichtung zueinander fallen und allmählich aufhören, ein Signal zu erzeugen. Dies wird als T₂ oder transversale Relaxation bezeichnet. Aufgrund der unterschiedlichen Relaxationsmechanismen (z. B. intermolekulare gegenüber intramolekularen magnetischen Dipol-Dipol-Wechselwirkungen) ist T₁ in der Regel (außer in seltenen Fällen) länger als T₂ (d. h. langsamere Spin-Gitter-Relaxation, z. B. aufgrund geringerer Dipol-Dipol-Wechselwirkungen). In der Praxis hängt der Wert von T₂*, d. h. die tatsächlich beobachtete Abklingzeit des beobachteten NMR-Signals oder der freie Induktionsabfall (auf 1/e der ursprünglichen Amplitude unmittelbar nach dem resonanten HF-Impuls), auch von der Inhomogenität des statischen Magnetfelds ab, die recht bedeutend ist. (Die HF-Inhomogenität des Resonanzpulses trägt ebenfalls in geringerem Maße, aber signifikant, zur beobachteten FID-Verkürzung bei). Im entsprechenden FT-NMR-Spektrum - d. h. der Fourier-Transformation des freien Induktionsabfalls - steht die T₂*-Zeit in umgekehrter Beziehung zur Breite des NMR-Signals in Frequenzeinheiten. So führt ein Kern mit einer langen T₂-Relaxationszeit zu einem sehr scharfen NMR-Peak im FT-NMR-Spektrum für ein sehr homogenes ("gut geeichtes") statisches Magnetfeld, während Kerne mit kürzeren T₂-Werten breite FT-NMR-Peaks erzeugen, selbst wenn der Magnet gut geeicht ist. Sowohl T₁ als auch T₂ hängen von der Geschwindigkeit der molekularen Bewegungen sowie von den gyromagnetischen Verhältnissen sowohl der resonierenden Kerne als auch der stark wechselwirkenden, benachbarten Kerne ab, die sich nicht in Resonanz befinden. ⓘ

Zur Messung der Dephasierungszeit kann ein Hahn-Echo-Zerfallsexperiment verwendet werden, wie in der folgenden Animation gezeigt. Die Größe des Echos wird für verschiedene Abstände zwischen den beiden Impulsen aufgezeichnet. Dies zeigt die Dekohärenz, die nicht durch den 180°-Puls refokussiert wird. In einfachen Fällen wird ein exponentieller Zerfall gemessen, der durch die T₂-Zeit beschrieben wird. ⓘ

NMR-Spektroskopie

900 MHz, 21,2 T NMR-Magnet bei HWB-NMR, Birmingham, UK ⓘ

Die NMR-Spektroskopie ist eine der wichtigsten Techniken zur Gewinnung physikalischer, chemischer, elektronischer und struktureller Informationen über Moleküle aufgrund der chemischen Verschiebung der Resonanzfrequenzen der Kernspins in der Probe. Peakaufspaltungen aufgrund von J- oder dipolaren Kopplungen zwischen Kernen sind ebenfalls nützlich. Die NMR-Spektroskopie kann detaillierte und quantitative Informationen über die funktionellen Gruppen, die Topologie, die Dynamik und die dreidimensionale Struktur von Molekülen in Lösung und im festen Zustand liefern. Da die Fläche unter einem NMR-Peak in der Regel proportional zur Anzahl der beteiligten Spins ist, können Peak-Integrale zur quantitativen Bestimmung der Zusammensetzung verwendet werden. ⓘ

Struktur und molekulare Dynamik können (mit oder ohne "magic angle" spinning (MAS)) durch NMR von quadrupolaren Kernen (d. h. mit einem Spin S > 1/2) auch bei Vorhandensein einer magnetischen "Dipol-Dipol"-Wechselwirkungsverbreiterung (oder einfach einer dipolaren Verbreiterung) untersucht werden, die immer viel kleiner ist als die quadrupolare Wechselwirkungsstärke, da es sich um einen magnetischen gegenüber einem elektrischen Wechselwirkungseffekt handelt. ⓘ

Zusätzliche strukturelle und chemische Informationen können durch die Durchführung von Doppelquanten-NMR-Experimenten für Paare von Spins oder quadrupolare Kerne wie ²
H
. Darüber hinaus ist die kernmagnetische Resonanz eine der Techniken, die zur Entwicklung von Quantenautomaten und zum Bau von elementaren Quantencomputern verwendet wurde. ⓘ

Kontinuierliche Wellen-Spektroskopie (CW)

In den ersten Jahrzehnten der kernmagnetischen Resonanz verwendeten die Spektrometer eine Technik, die als kontinuierliche Wellen-Spektroskopie (CW) bekannt ist und bei der die durch ein schwaches oszillierendes Magnetfeld erzeugte transversale Spinmagnetisierung als Funktion der Oszillationsfrequenz oder der statischen Feldstärke B₀ aufgezeichnet wird. Wenn die Oszillationsfrequenz mit der Kernresonanzfrequenz übereinstimmt, wird die transversale Magnetisierung maximiert und ein Peak im Spektrum beobachtet. Obwohl NMR-Spektren mit einem festen, konstanten Magnetfeld und einer schwankenden Frequenz des oszillierenden Magnetfelds gewonnen werden können und auch schon wurden, war es bequemer, eine Quelle mit fester Frequenz zu verwenden und den Strom (und damit das Magnetfeld) in einem Elektromagneten zu variieren, um die Resonanzabsorptionssignale zu beobachten. Dies ist der Ursprung der kontraintuitiven, aber immer noch gebräuchlichen Begriffe "Hochfeld" und "Niederfeld" für niederfrequente bzw. hochfrequente Bereiche des NMR-Spektrums. ⓘ

Ab 1996 wurden für Routinearbeiten immer noch CW-Instrumente verwendet, da die älteren Instrumente billiger in der Wartung und im Betrieb waren. Sie arbeiteten oft bei 60 MHz mit entsprechend schwächeren (nicht supraleitenden) Elektromagneten, die mit Wasser statt mit flüssigem Helium gekühlt wurden. Eine Funkspule arbeitete kontinuierlich und durchlief eine Reihe von Frequenzen, während eine andere orthogonale Spule, die keine Strahlung vom Sender empfängt, Signale von Kernen empfing, die sich in der Lösung neu orientierten. Ab 2014 wurden überholte 60-MHz- und 90-MHz-Systeme der unteren Preisklasse als FT-NMR-Geräte verkauft, und 2010 wurde das "durchschnittliche Arbeitspferd" NMR-Gerät für 300 MHz konfiguriert. ⓘ

Die CW-Spektroskopie ist im Vergleich zu Fourier-Analysetechniken (siehe unten) ineffizient, da sie die NMR-Antwort bei einzelnen Frequenzen oder Feldstärken nacheinander sondiert. Da das NMR-Signal von Natur aus schwach ist, leidet das beobachtete Spektrum unter einem schlechten Signal-Rausch-Verhältnis. Dies kann durch Signalmittelung, d. h. durch Addition der Spektren aus wiederholten Messungen, gemildert werden. Während das NMR-Signal bei jedem Scan gleich ist und sich daher linear addiert, addiert sich das Zufallsrauschen langsamer - proportional zur Quadratwurzel aus der Anzahl der Spektren (siehe Random Walk). Daher steigt das Signal-Rausch-Verhältnis insgesamt mit der Quadratwurzel aus der Anzahl der gemessenen Spektren. ⓘ

Fourier-Transformations-Spektroskopie

Bei den meisten Anwendungen der NMR geht es um vollständige NMR-Spektren, d. h. um die Intensität des NMR-Signals als Funktion der Frequenz. Frühe Versuche, das NMR-Spektrum effizienter als mit einfachen CW-Methoden zu erfassen, bestanden darin, das Zielobjekt gleichzeitig mit mehr als einer Frequenz zu beleuchten. Eine Revolution in der NMR trat ein, als man begann, kurze Hochfrequenzpulse zu verwenden, deren Frequenz in der Mitte des NMR-Spektrums liegt. Vereinfacht ausgedrückt "enthält" ein kurzer Impuls mit einer bestimmten "Trägerfrequenz" einen Bereich von Frequenzen, die um die Trägerfrequenz zentriert sind, wobei der Bereich der Anregung (Bandbreite) umgekehrt proportional zur Impulsdauer ist, d. h. die Fourier-Transformation eines kurzen Impulses enthält Beiträge von allen Frequenzen in der Nähe der Hauptfrequenz. Der begrenzte Bereich der NMR-Frequenzen machte es relativ einfach, kurze (1 - 100 Mikrosekunden) Hochfrequenzpulse zu verwenden, um das gesamte NMR-Spektrum anzuregen. ⓘ

Die Anwendung eines solchen Pulses auf eine Reihe von Kernspins regt gleichzeitig alle NMR-Übergänge mit einem Quantum an. Bezogen auf den Nettomagnetisierungsvektor entspricht dies einer Kippung des Magnetisierungsvektors aus seiner Gleichgewichtsposition (Ausrichtung entlang des äußeren Magnetfelds). Der aus dem Gleichgewicht geratene Magnetisierungsvektor oszilliert dann mit der NMR-Frequenz der Spins um den Vektor des äußeren Magnetfeldes. Dieser oszillierende Magnetisierungsvektor induziert eine Spannung in einer nahegelegenen Pickup-Spule und erzeugt ein elektrisches Signal, das mit der NMR-Frequenz oszilliert. Dieses Signal wird als freier Induktionsabfall (FID) bezeichnet und enthält die Summe der NMR-Antworten aller angeregten Spins. Um das NMR-Spektrum im Frequenzbereich (NMR-Absorptionsintensität im Vergleich zur NMR-Frequenz) zu erhalten, muss dieses Signal im Zeitbereich (Intensität im Vergleich zur Zeit) Fourier-transformiert werden. Glücklicherweise fiel die Entwicklung der Fourier-Transformation (FT) der NMR mit der Entwicklung von Digitalcomputern und der digitalen schnellen Fourier-Transformation zusammen. Fourier-Methoden können auf viele Arten der Spektroskopie angewendet werden. (Siehe den vollständigen Artikel über Fourier-Transformations-Spektroskopie). ⓘ

Richard R. Ernst war einer der Pioniere der gepulsten NMR und erhielt 1991 den Nobelpreis für Chemie für seine Arbeit an der Fourier-Transform-NMR und seine Entwicklung der multidimensionalen NMR-Spektroskopie. ⓘ

Mehrdimensionale NMR-Spektroskopie

Die Verwendung von Impulsen unterschiedlicher Dauer, Frequenz oder Form in speziell entworfenen Mustern oder Impulsfolgen ermöglicht es dem NMR-Spektroskopiker, viele verschiedene Arten von Informationen über die Moleküle in der Probe zu gewinnen. Bei der mehrdimensionalen Kernspinresonanzspektroskopie gibt es mindestens zwei Pulse, und bei der Wiederholung des Experiments werden die Pulszeiten systematisch variiert und die Schwingungen des Spinsystems Punkt für Punkt im Zeitbereich untersucht. Die mehrdimensionale Fourier-Transformation des mehrdimensionalen Zeitsignals ergibt das mehrdimensionale Spektrum. Bei der zweidimensionalen Kernspinresonanz gibt es eine systematisch variierte Zeitperiode in der Pulsfolge, die die Intensität oder Phase der detektierten Signale moduliert. Bei der 3D-NMR werden zwei Zeitabschnitte unabhängig voneinander variiert, und bei der 4D-NMR werden drei variiert. Die verbleibende "Dimension" wird immer durch das direkt detektierte Signal bereitgestellt. ⓘ

Es gibt viele solcher Experimente. In einigen ermöglichen feste Zeitintervalle (unter anderem) den Magnetisierungstransfer zwischen Kernen und damit den Nachweis der Arten von Kern-Kern-Wechselwirkungen, die den Magnetisierungstransfer ermöglicht haben. Wechselwirkungen, die nachgewiesen werden können, werden in der Regel in zwei Arten unterteilt. Letztere sind eine Folge der dipolaren Kopplungen in der Festkörper-NMR und des Overhauser-Effekts in der Lösungs-NMR. Experimente der nuklearen Overhauser-Variante können eingesetzt werden, um Abstände zwischen Atomen zu bestimmen, wie zum Beispiel bei der 2D-FT-NMR von Molekülen in Lösung. ⓘ

Obwohl das grundlegende Konzept der 2D-FT-NMR von Jean Jeener von der Freien Universität Brüssel auf einer internationalen Konferenz vorgeschlagen wurde, wurde diese Idee weitgehend von Richard Ernst weiterentwickelt, der 1991 den Nobelpreis für Chemie für seine Arbeiten auf dem Gebiet der FT-NMR, einschließlich der mehrdimensionalen FT-NMR, und insbesondere der 2D-FT-NMR kleiner Moleküle erhielt. Mehrdimensionale FT-NMR-Experimente wurden dann zu leistungsfähigen Methoden für die Untersuchung von Molekülen in Lösung weiterentwickelt, insbesondere für die Bestimmung der Struktur von Biopolymeren wie Proteinen oder sogar kleinen Nukleinsäuren. ⓘ

Im Jahr 2002 erhielt Kurt Wüthrich den Nobelpreis für Chemie (zusammen mit John Bennett Fenn und Koichi Tanaka) für seine Arbeit mit der Protein-FT-NMR in Lösung. ⓘ

Festkörper-NMR-Spektroskopie

Diese Technik ergänzt die Röntgenkristallographie insofern, als sie häufig auf Moleküle im amorphen oder flüssigkristallinen Zustand anwendbar ist, während die Kristallographie, wie der Name schon sagt, an Molekülen in einer kristallinen Phase durchgeführt wird. Bei elektronisch leitfähigen Materialien kann die Ritterverschiebung der Resonanzfrequenz Informationen über die beweglichen Ladungsträger liefern. Obwohl die kernmagnetische Resonanz zur Untersuchung der Struktur von Festkörpern verwendet wird, ist es im festen Zustand schwieriger, umfassende Strukturdetails auf atomarer Ebene zu erhalten. Aufgrund der Verbreiterung durch die chemische Verschiebungsanisotropie (CSA) und dipolare Kopplungen mit anderen Kernspins ist das beobachtete Spektrum ohne spezielle Techniken wie MAS oder dipolare Entkopplung durch HF-Pulse oft nur ein breites Gaußband für nicht-quadrupolare Spins in einem Festkörper. ⓘ

Professor Raymond Andrew von der Universität Nottingham im Vereinigten Königreich leistete Pionierarbeit bei der Entwicklung der hochauflösenden magnetischen Festkörperresonanz. Er war der erste, der über die Einführung der MAS-Technik (Magic Angle Sample Spinning; MASS) berichtete, die es ihm ermöglichte, eine ausreichende spektrale Auflösung in Festkörpern zu erreichen, um zwischen chemischen Gruppen mit entweder unterschiedlichen chemischen Verschiebungen oder unterschiedlichen Ritterverschiebungen zu unterscheiden. Beim MASS-Verfahren wird die Probe mit mehreren Kilohertz um eine Achse gedreht, die den so genannten magischen Winkel θm (~54,74°, wobei 3cos²θm-1 = 0) mit der Richtung des statischen Magnetfelds B₀ bildet; durch das Drehen der Probe unter einem solchen magischen Winkel werden die breiten Anisotropiebänder der chemischen Verschiebung auf ihre entsprechenden durchschnittlichen (isotropen) Werte der chemischen Verschiebung gemittelt. Die korrekte Ausrichtung der Rotationsachse der Probe so nahe wie möglich an θm ist für die Aufhebung der Verbreiterung der Anisotropie der chemischen Verschiebung unerlässlich. Für die Mittelwertbildung der elektrischen Quadrupol-Wechselwirkungen und der paramagnetischen Wechselwirkungen gibt es unterschiedliche Winkel für die Drehung der Probe relativ zum angelegten Feld, nämlich ~30,6° und ~70,1°. Bei amorphen Materialien verbleibt eine Restlinienverbreiterung, da sich jedes Segment in einer leicht unterschiedlichen Umgebung befindet und daher eine leicht unterschiedliche NMR-Frequenz aufweist. ⓘ

Dipolare und J-Kopplungen zu nahe gelegenen ¹H-Kernen werden in der Regel durch Hochfrequenzimpulse entfernt, die während der Signaldetektion mit der ¹H-Frequenz angelegt werden. Das von Sven Hartmann und Erwin Hahn entwickelte Konzept der Kreuzpolarisation wurde von M.G. Gibby, Alex Pines und John S. Waugh zur Übertragung der Magnetisierung von Protonen auf weniger empfindliche Kerne genutzt. Anschließend demonstrierten Jake Schaefer und Ed Stejskal die leistungsstarke Nutzung der Kreuzpolarisation unter MAS-Bedingungen (CP-MAS) und der Protonenentkopplung, die jetzt routinemäßig zur Messung hochauflösender Spektren von Kernen mit geringer Häufigkeit und Empfindlichkeit, wie Kohlenstoff-13, Silizium-29 oder Stickstoff-15, in Festkörpern eingesetzt wird. Eine erhebliche weitere Signalverstärkung kann durch dynamische Kernpolarisation von ungepaarten Elektronen zu den Kernen erreicht werden, in der Regel bei Temperaturen nahe 110 K. ⓘ

Empfindlichkeit

Da die Intensität der kernmagnetischen Resonanzsignale und damit die Empfindlichkeit der Technik von der Stärke des Magnetfelds abhängt, hat sich die Technik im Laufe der Jahrzehnte mit der Entwicklung leistungsfähigerer Magnete weiterentwickelt. Fortschritte in der audiovisuellen Technologie haben auch die Signalerzeugung und die Verarbeitungsmöglichkeiten neuerer Instrumente verbessert. ⓘ

Wie bereits erwähnt, hängt die Empfindlichkeit von Kernspinresonanzsignalen auch vom Vorhandensein eines magnetisch anfälligen Nuklids ab und damit entweder von der natürlichen Häufigkeit solcher Nuklide oder von der Fähigkeit des Experimentators, die zu untersuchenden Moleküle künstlich mit solchen Nukliden anzureichern. Die in der Natur am häufigsten vorkommenden Isotope von Wasserstoff und Phosphor (zum Beispiel) sind beide magnetisch empfindlich und für die kernmagnetische Resonanzspektroskopie gut geeignet. Im Gegensatz dazu haben Kohlenstoff und Stickstoff nützliche Isotope, die jedoch nur in sehr geringer natürlicher Häufigkeit vorkommen. ⓘ

Weitere Einschränkungen der Empfindlichkeit ergeben sich aus der quantenmechanischen Natur des Phänomens. Bei Quantenzuständen, die durch eine Energie getrennt sind, die Radiofrequenzen entspricht, bewirkt die thermische Energie aus der Umgebung, dass die Populationen der Zustände nahezu gleich sind. Da einfallende Strahlung mit gleicher Wahrscheinlichkeit stimulierte Emission (einen Übergang vom oberen zum unteren Zustand) und Absorption verursacht, hängt der NMR-Effekt von einem Überschuss an Kernen in den unteren Zuständen ab. Mehrere Faktoren können die Empfindlichkeit verringern, darunter:

• Erhöhte Temperatur, die die Population der Zustände ausgleicht. Umgekehrt kann die NMR bei niedriger Temperatur manchmal bessere Ergebnisse liefern als die NMR bei Raumtemperatur, sofern die Probe flüssig bleibt.
• Sättigung der Probe mit Energie, die bei der resonanten Hochfrequenz zugeführt wird. Dies tritt sowohl bei der CW- als auch bei der gepulsten NMR auf; im ersten Fall (CW) geschieht dies durch die Verwendung einer zu hohen Dauerleistung, die die oberen Spinniveaus vollständig besetzt hält; im zweiten Fall (gepulst) lässt jeder Puls (d. h. mindestens ein 90°-Puls) die Probe gesättigt zurück, und es muss das Vier- bis Fünffache der (longitudinalen) Relaxationszeit (5T₁) vergehen, bevor der nächste Puls oder die nächste Pulssequenz angewendet werden kann. Bei Einzelimpulsexperimenten können kürzere HF-Impulse verwendet werden, die die Magnetisierung um weniger als 90° kippen, wodurch die Intensität des Signals etwas abnimmt, aber kürzere Zykluszeiten möglich sind. Dieses Optimum wird als Ernst-Winkel bezeichnet, nach dem Nobelpreisträger. Insbesondere bei der Festkörper-NMR oder bei Proben, die nur sehr wenige Kerne mit Spin enthalten (Diamant mit dem natürlichen Anteil von 1 % Kohlenstoff-13 ist hier besonders problematisch), können die longitudinalen Relaxationszeiten im Bereich von Stunden liegen, während sie bei der Protonen-NMR eher im Bereich von einer Sekunde liegen.
• Nichtmagnetische Effekte, wie die Elektro-Quadrupol-Kopplung von Spin-1- und Spin-3/2-Kernen mit ihrer lokalen Umgebung, die Absorptionsspitzen verbreitern und abschwächen. ¹⁴
  N
  , ein reichlich vorhandener Spin-1-Kern, ist aus diesem Grund schwer zu untersuchen. Die hochauflösende NMR untersucht stattdessen Moleküle mit dem selteneren ¹⁵
  N
  Isotop, das Spin-1/2 hat. ⓘ

Isotope

Viele Isotope chemischer Elemente können für die NMR-Analyse verwendet werden. ⓘ

Häufig verwendete Kerne:

• ¹
  H
  Wasserstoff, der am häufigsten verwendete Spin-1/2-Kern in der NMR-Untersuchung, wurde mit vielen Formen der NMR untersucht. Wasserstoff kommt sehr häufig vor, insbesondere in biologischen Systemen. Er ist der Kern, der am empfindlichsten für NMR-Signale ist (abgesehen von ³
  H
  , der aufgrund seiner Instabilität und Radioaktivität nicht häufig verwendet wird). Die Protonen-NMR erzeugt eine enge chemische Verschiebung mit scharfen Signalen. Aufgrund der kurzen Relaxationszeit ist eine schnelle Erfassung quantitativer Ergebnisse (Peakintegrale im stöchiometrischen Verhältnis) möglich. Das ¹
  H
  Signal ist der einzige diagnostische Kern, der für die klinische Magnetresonanztomographie (MRI) verwendet wird.
• ²
  H
  Bei der Protonen-NMR wird ein Spin-1-Kern häufig als signalfreies Medium in Form von deuterierten Lösungsmitteln verwendet, um Signalstörungen durch wasserstoffhaltige Lösungsmittel bei der Messung von ¹
  H
  Lösungsmitteln zu vermeiden. Er wird auch zur Bestimmung des Verhaltens von Lipiden in Lipidmembranen und anderen Feststoffen oder Flüssigkristallen verwendet, da er eine relativ störungsfreie Markierung ist, die selektiv ¹
  H
  . Alternativ dazu kann ²
  H
  in speziell mit ² markierten Medien nachgewiesen werden
  H
  . Die Deuteriumresonanz wird in der hochauflösenden NMR-Spektroskopie häufig verwendet, um Drifts in der Magnetfeldstärke (Lock) und die Homogenität des externen Magnetfelds zu überwachen.
• ³
  He
  ist sehr empfindlich für NMR. Der Anteil an natürlichem Helium ist sehr gering und muss daher aus ⁴ % gereinigt werden.
  He
  . Es wird vor allem bei Untersuchungen an endohedralen Fullerenen verwendet, wo seine chemische Inertheit für die Bestimmung der Struktur des einschließenden Fullerens von Vorteil ist.
• ¹¹
  B
  , empfindlicher als ¹⁰
  B
  führt zu schärferen Signalen. Der Kernspin von ¹⁰B ist 3 und der von ¹¹B ist 3/2. Es müssen Quarzröhren verwendet werden, da Borsilikatglas die Messung stört.
• ¹³
  C
  Der Kernspin 1/2 ist weit verbreitet, obwohl er im natürlich vorkommenden Kohlenstoff relativ wenig vorkommt (etwa 1,1 %). Es ist stabil gegenüber dem Kernzerfall. Da der Anteil an natürlichem Kohlenstoff gering ist, dauert die Spektrenerfassung bei Proben, die nicht experimentell mit ¹³
  C
  angereichert wurden, dauert sehr lange. Wird häufig zur Markierung von Verbindungen in synthetischen und metabolischen Studien verwendet. Geringe Empfindlichkeit und mäßig breiter chemischer Verschiebungsbereich, liefert scharfe Signale. Der niedrige Prozentsatz macht es nützlich, da er Spin-Spin-Kopplungen verhindert und das Spektrum weniger überladen erscheinen lässt. Langsame Relaxation bedeutet, dass die Spektren nicht integrierbar sind, es sei denn, es werden lange Aufnahmezeiten verwendet.
• ¹⁴
  N
  Spin-1-Kern mit mittlerer Empfindlichkeit und großem Bereich der chemischen Verschiebung. Sein großes Quadrupolmoment behindert die Aufnahme von hochauflösenden Spektren und beschränkt den Nutzen auf kleinere Moleküle und funktionelle Gruppen mit einem hohen Symmetriegrad wie die Kopfgruppen von Lipiden.
• ¹⁵
  N
  Spin-1/2, relativ häufig verwendet. Kann für die isotopische Markierung von Verbindungen verwendet werden. Sehr unempfindlich, liefert aber scharfe Signale. Geringer Anteil an natürlichem Stickstoff in Verbindung mit geringer Empfindlichkeit erfordert hohe Konzentrationen oder teure Isotopenanreicherung.
• ¹⁷
  O
  Spin-5/2, geringe Empfindlichkeit und sehr geringe natürliche Häufigkeit (0,037 %), großer chemischer Verschiebungsbereich (bis zu 2000 ppm). Das Quadrupolmoment verursacht eine Linienverbreiterung. Wird in metabolischen und biochemischen Studien zur Untersuchung chemischer Gleichgewichte verwendet.
• ¹⁹
  F
  Spin-1/2, relativ häufig gemessen. Empfindlich, liefert scharfe Signale, hat einen großen chemischen Verschiebungsbereich.
• ³¹
  P
  Spin-1/2, 100% des natürlichen Phosphors. Mittlere Empfindlichkeit, breiter chemischer Verschiebungsbereich, liefert scharfe Linien. Die Spektren neigen zu mäßigem Rauschen. Wird in biochemischen Studien und in der Koordinationschemie mit phosphorhaltigen Liganden verwendet.
• ³⁵
  Cl
  und ³⁷
  Cl
  Breites Signal. ³⁵
  Cl
  ist deutlich empfindlicher und wird gegenüber ³⁷
  Cl
  trotz seines etwas breiteren Signals. Organische Chloride ergeben sehr breite Signale. Seine Verwendung ist auf anorganische und ionische Chloride und sehr kleine organische Moleküle beschränkt.
• ⁴³
  Ca
  wird in der Biochemie zur Untersuchung der Calciumbindung an DNA, Proteine usw. verwendet. Mäßig empfindlich, sehr geringe natürliche Abundanz.
• ¹⁹⁵
  Pt
  , wird in Studien über Katalysatoren und Komplexe verwendet. ⓘ

Andere Kerne (in der Regel für die Untersuchung ihrer Komplexe und chemischen Bindungen oder zum Nachweis des Elements):

• ⁶
  Li
  , ⁷
  Li
  
• ⁹
  Be
  
• ¹⁹
  F
  
• ²¹
  Ne
  
• ²³
  Na
  
• ²⁵
  Mg
  
• ²⁷
  Al
  
• ²⁹
  Si
  
• ³¹
  P
  
• ³³
  S
  
• ³⁹
  K
  , ⁴⁰
  K
  , ⁴¹
  K
  
• ⁴⁵
  Sc
  
• ⁴⁷
  Ti
  , ⁴⁹
  Ti
  
• ⁵⁰
  V
  , ⁵¹
  V
  
• ⁵³
  Cr
  
• ⁵⁵
  Mn
  
• ⁵⁷
  Fe
  
• ⁵⁹
  Co
  
• ⁶¹
  Ni
  
• ⁶³
  Cu
  , ⁶⁵
  Cu
  
• ⁶⁷
  Zn
  
• ⁶⁹
  Ga
  , ⁷¹
  Ga
  
• ⁷³
  Ge
  
• ⁷⁵
  As
  
• ⁷⁷
  Se
  
• ⁸¹
  Br
  
• ⁸⁷
  Rb
  
• ⁸⁷
  Sr
  
• ⁹⁵
  Mo
  
• ¹⁰⁹
  Ag
  
• ¹¹³
  Cd
  
• ¹¹⁹
  Sn
  
• ¹²⁵
  Te
  
• ¹²⁷
  I
  
• ¹³³
  Cs
  
• ¹³⁵
  Ba
  , ¹³⁷
  Ba
  
• ¹³⁹
  La
  
• ¹⁸³
  W
  
• ¹⁹⁹
  Hg ⓘ
  

Anwendungen

Die NMR wird in der Medizin in Form der Magnetresonanztomographie umfassend genutzt. NMR wird in der organischen Chemie und in der Industrie hauptsächlich zur Analyse von Chemikalien eingesetzt. Die Technik wird auch zur Messung des Verhältnisses zwischen Wasser und Fett in Lebensmitteln, zur Überwachung des Flusses korrosiver Flüssigkeiten in Rohren oder zur Untersuchung molekularer Strukturen wie Katalysatoren eingesetzt. ⓘ

• Chemie: Kernspinresonanzspektroskopie
• Physikalische Chemie: Diffusion, Mikrodynamik und -struktur von Flüssigkeiten
• Medizin: Kernspintomografie, Diffusions-Tensor-Bildgebung
• Geophysik: Protonenmagnetometer, Porengrößen und -form in Gesteinen und Sedimenten
• Quantencomputing: Quantensimulation ⓘ

Medizin

Medizinische MRT ⓘ

Die in der Öffentlichkeit bekannteste Anwendung der Kernspinresonanz ist die Magnetresonanztomographie für die medizinische Diagnose und die Magnetresonanzmikroskopie in der Forschung. Aber auch in biochemischen Studien findet sie breite Anwendung, vor allem in der NMR-Spektroskopie wie der Protonen-NMR, Kohlenstoff-13-NMR, Deuterium-NMR und Phosphor-31-NMR. Biochemische Informationen können auch aus lebendem Gewebe (z. B. menschlichen Gehirntumoren) mit der so genannten In-vivo-Magnetresonanzspektroskopie oder der NMR-Mikroskopie mit chemischer Verschiebung gewonnen werden. ⓘ

Diese spektroskopischen Untersuchungen sind möglich, weil die Kerne von umlaufenden Elektronen umgeben sind, d. h. von geladenen Teilchen, die kleine lokale Magnetfelder erzeugen, die sich zum externen Magnetfeld addieren oder von ihm subtrahieren und so die Kerne teilweise abschirmen. Die Stärke der Abschirmung hängt von der genauen lokalen Umgebung ab. So wird zum Beispiel ein Wasserstoff, der an ein Sauerstoffatom gebunden ist, anders abgeschirmt als ein Wasserstoff, der an ein Kohlenstoffatom gebunden ist. Außerdem können zwei Wasserstoffkerne über einen als Spin-Spin-Kopplung bezeichneten Prozess miteinander wechselwirken, wenn sie sich auf demselben Molekül befinden, was zu einer erkennbaren Aufspaltung der Spektrallinien führt. ⓘ

Als eine der beiden wichtigsten spektroskopischen Techniken, die in der Metabolomik eingesetzt werden, dient die NMR dazu, metabolische Fingerabdrücke von biologischen Flüssigkeiten zu erstellen, um Informationen über Krankheitszustände oder toxische Einflüsse zu erhalten. ⓘ

Chemie

Durch die Untersuchung der Peaks von kernmagnetischen Resonanzspektren können Chemiker die Struktur zahlreicher Verbindungen bestimmen. Es handelt sich dabei um eine sehr selektive Technik, die zwischen vielen Atomen innerhalb eines Moleküls oder einer Sammlung von Molekülen desselben Typs unterscheidet, die sich nur durch ihre lokale chemische Umgebung unterscheiden. Die NMR-Spektroskopie wird zur eindeutigen Identifizierung bekannter und neuartiger Verbindungen eingesetzt und wird daher in der Regel von wissenschaftlichen Fachzeitschriften zur Identitätsbestätigung von synthetisierten neuen Verbindungen verlangt. Ausführliche Informationen hierzu finden Sie in den Artikeln über Kohlenstoff-13-NMR und Protonen-NMR. ⓘ

Ein Chemiker kann die Identität einer Verbindung bestimmen, indem er die beobachteten Kernpräzessionsfrequenzen mit bekannten Frequenzen vergleicht. Weitere Strukturdaten lassen sich durch Beobachtung der Spin-Spin-Kopplung aufklären, einem Prozess, bei dem die Präzessionsfrequenz eines Kerns durch die Spinorientierung eines chemisch gebundenen Kerns beeinflusst werden kann. Die Spin-Spin-Kopplung lässt sich bei der NMR von Wasserstoff-1 (¹
H
 NMR) zu beobachten, da seine natürliche Häufigkeit nahezu 100 % beträgt. ⓘ

Da die Zeitskala der kernmagnetischen Resonanz im Vergleich zu anderen spektroskopischen Methoden eher langsam ist, kann eine Änderung der Temperatur eines T₂*-Experiments auch Informationen über schnelle Reaktionen, wie die Cope-Umlagerung, oder über strukturelle Dynamik, wie das Ringflipping in Cyclohexan, liefern. Bei ausreichend niedrigen Temperaturen kann zwischen den axialen und äquatorialen Wasserstoffatomen in Cyclohexan unterschieden werden. ⓘ

Ein Beispiel für den Einsatz der kernmagnetischen Resonanz bei der Bestimmung einer Struktur ist das Buckminsterfulleren (oft "Buckyballs" genannt, Zusammensetzung C₆₀). Diese inzwischen berühmte Form des Kohlenstoffs hat 60 Kohlenstoffatome, die eine Kugel bilden. Die Kohlenstoffatome befinden sich alle in der gleichen Umgebung und sollten daher das gleiche interne H-Feld aufweisen. Leider enthält Buckminsterfulleren keinen Wasserstoff, so dass die ¹³
C
Kernspinresonanz verwendet werden muss. ¹³
C
Spektren benötigen längere Aufnahmezeiten, da Kohlenstoff-13 nicht das häufigste Isotop von Kohlenstoff ist (im Gegensatz zu Wasserstoff, wo ¹
H
das häufigste Isotop ist). Im Jahr 1990 wurde das Spektrum jedoch von R. Taylor und Mitarbeitern an der Universität von Sussex erhalten und enthielt einen einzigen Peak, was die ungewöhnliche Struktur von Buckminsterfulleren bestätigte. ⓘ

Reinheitsbestimmung (w/w NMR)

Die NMR wird zwar in erster Linie zur Strukturbestimmung eingesetzt, kann aber auch zur Reinheitsbestimmung verwendet werden, sofern die Struktur und das Molekulargewicht der Verbindung bekannt sind. Diese Technik erfordert die Verwendung eines internen Standards mit bekannter Reinheit. Dieser Standard hat in der Regel ein hohes Molekulargewicht, um das genaue Einwiegen zu erleichtern, aber relativ wenige Protonen, um einen klaren Peak für die spätere Integration zu erhalten, z. B. 1,2,4,5-Tetrachlor-3-nitrobenzol. Genau gewogene Teile des Standards und der Probe werden kombiniert und mittels NMR analysiert. Geeignete Peaks aus beiden Verbindungen werden ausgewählt und die Reinheit der Probe wird anhand der folgenden Gleichung bestimmt. ⓘ

$\mathrm {Purity} ={\frac {w_{\mathrm {std} }\times n[\mathrm {H} ]_{\mathrm {std} }\times MW_{\mathrm {spl} }}{w_{\mathrm {spl} }\times MW_{\mathrm {std} }\times n[\mathrm {H} ]_{\mathrm {spl} }}}\times P$ ⓘ

Wobei:

• w_std: Gewicht des internen Standards
• w_spl: Gewicht der Probe
• n[H]_std: die integrierte Fläche des zum Vergleich ausgewählten Peaks im Standard, korrigiert um die Anzahl der Protonen in dieser funktionellen Gruppe
• n[H]_spl: integrierte Fläche des für den Vergleich ausgewählten Peaks in der Probe, korrigiert um die Anzahl der Protonen in dieser funktionellen Gruppe
• MW_std: Molekulargewicht des Standards
• MW_spl: Molekulargewicht der Probe
• P: Reinheit des internen Standards ⓘ

Zerstörungsfreie Prüfung

Die kernmagnetische Resonanz ist äußerst nützlich für die zerstörungsfreie Analyse von Proben. Hochfrequente Magnetfelder durchdringen leicht viele Arten von Materie und alles, was nicht hoch leitfähig oder von Natur aus ferromagnetisch ist. So können beispielsweise verschiedene teure biologische Proben wie Nukleinsäuren, einschließlich RNA und DNA, oder Proteine mit Hilfe der kernmagnetischen Resonanz wochen- oder monatelang untersucht werden, bevor zerstörerische biochemische Experimente durchgeführt werden. Dies macht die Kernspinresonanz auch zu einer guten Wahl für die Analyse gefährlicher Proben. ⓘ

Segmentale und molekulare Bewegungen

Neben der Bereitstellung statischer Informationen über Moleküle durch die Bestimmung ihrer 3D-Strukturen besteht einer der bemerkenswerten Vorteile der NMR gegenüber der Röntgenkristallographie darin, dass sie zur Gewinnung wichtiger dynamischer Informationen verwendet werden kann. Dies ist auf die Orientierungsabhängigkeit der Beiträge der chemischen Verschiebung, der Dipol-Kopplung oder der Elektro-Quadrupol-Kopplung zur momentanen NMR-Frequenz in einer anisotropen molekularen Umgebung zurückzuführen. Wenn das Molekül oder das Segment, das den NMR-beobachteten Kern enthält, seine Orientierung relativ zum äußeren Feld ändert, ändert sich die NMR-Frequenz, was zu Änderungen in ein- oder zweidimensionalen Spektren oder in den Relaxationszeiten führen kann, je nach Korrelationszeit und Amplitude der Bewegung. ⓘ

Datenerfassung in der Erdölindustrie

Ein weiteres Einsatzgebiet der kernmagnetischen Resonanz ist die Datenerfassung in der Erdölindustrie für die Erdöl- und Erdgasexploration und -gewinnung. Die ersten Forschungsarbeiten in diesem Bereich begannen in den 1950er Jahren, die ersten kommerziellen Geräte wurden jedoch erst in den frühen 1990er Jahren auf den Markt gebracht. Es wird ein Bohrloch in Gesteins- und Sedimentschichten gebohrt, in das ein Kernspinresonanz-Messgerät abgesenkt wird. Die kernmagnetische Resonanzanalyse dieser Bohrlöcher wird zur Messung der Gesteinsporosität, zur Schätzung der Permeabilität anhand der Porengrößenverteilung und zur Identifizierung von Porenflüssigkeiten (Wasser, Öl und Gas) verwendet. Bei diesen Geräten handelt es sich in der Regel um Niederfeld-NMR-Spektrometer. ⓘ

NMR-Logging, eine Unterkategorie des elektromagnetischen Loggings, misst das induzierte Magnetmoment von Wasserstoffkernen (Protonen), die im flüssigkeitsgefüllten Porenraum poröser Medien (Speichergestein) enthalten sind. Im Gegensatz zu herkömmlichen Logging-Messungen (z. B. Akustik-, Dichte-, Neutronen- und Widerstandsmessungen), die sowohl auf die Gesteinsmatrix als auch auf die Flüssigkeitseigenschaften reagieren und stark von der Mineralogie abhängig sind, reagieren NMR-Logging-Messungen auf die Anwesenheit von Wasserstoff. Da Wasserstoffatome hauptsächlich in Porenflüssigkeiten vorkommen, reagiert die NMR effektiv auf das Volumen, die Zusammensetzung, die Viskosität und die Verteilung dieser Flüssigkeiten, z. B. Öl, Gas oder Wasser. NMR-Protokolle liefern Informationen über die Menge der vorhandenen Flüssigkeiten, die Eigenschaften dieser Flüssigkeiten und die Größe der Poren, die diese Flüssigkeiten enthalten. Aus diesen Informationen lassen sich Rückschlüsse oder Schätzungen ziehen:

• das Volumen (Porosität) und die Verteilung (Permeabilität) des Gesteinsporenraums
• Zusammensetzung des Gesteins
• Art und Menge der flüssigen Kohlenwasserstoffe
• Förderbarkeit von Kohlenwasserstoffen ⓘ

Die grundlegende Kern- und Log-Messung ist der T₂-Abfall, der als Verteilung der T₂-Amplituden in Abhängigkeit von der Zeit in jeder Probentiefe dargestellt wird, typischerweise von 0,3 ms bis 3 s. Der T₂-Abfall wird weiterverarbeitet, um das Gesamtporenvolumen (die Gesamtporosität) und die Porenvolumina innerhalb verschiedener T₂-Bereiche zu ermitteln. Die gebräuchlichsten Volumina sind das gebundene und das freie Fluid. Eine Permeabilitätsschätzung wird mit einer Transformation wie der Timur-Coates- oder der SDR-Permeabilitätstransformation vorgenommen. Durch die Durchführung des Logs mit verschiedenen Erfassungsparametern sind eine direkte Kohlenwasserstofftypisierung und eine verbesserte Diffusion möglich. ⓘ

Strömungssonden für die NMR-Spektroskopie

Schematische Darstellung einer NMR-Sonde mit gestopptem Fluss ⓘ

In jüngster Zeit wurden Echtzeitanwendungen der NMR in flüssigen Medien unter Verwendung speziell entwickelter Durchflusssonden (Durchflusszellen) entwickelt, die herkömmliche Rohrsonden ersetzen können. Dies hat Techniken ermöglicht, die den Einsatz von Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC) oder anderen Geräten für die kontinuierliche Probenzufuhr einschließen können. Diese Durchflusssonden werden in verschiedenen Online-Prozessüberwachungen eingesetzt, z. B. bei chemischen Reaktionen und beim Abbau von Umweltschadstoffen. ⓘ

Prozesskontrolle

Die NMR hat inzwischen Einzug in die Echtzeit-Prozesskontrolle und Prozessoptimierung in Ölraffinerien und petrochemischen Anlagen gehalten. Zwei verschiedene Arten von NMR-Analysen werden zur Echtzeitanalyse von Einsatzstoffen und Produkten eingesetzt, um die Betriebsabläufe zu kontrollieren und zu optimieren. Zeitbereichs-NMR-Spektrometer (TD-NMR), die mit einem niedrigen Feld (2-20 MHz für ¹
H
) liefern Daten über den freien Induktionsabfall, die zur Bestimmung des absoluten Wasserstoffgehalts, der rheologischen Informationen und der Zusammensetzung der Komponenten verwendet werden können. Diese Spektrometer werden im Bergbau, in der Polymerproduktion, in der Kosmetik- und Lebensmittelherstellung sowie in der Kohleanalyse eingesetzt. Hochauflösende FT-NMR-Spektrometer, die im 60-MHz-Bereich mit abgeschirmten Permanentmagnetsystemen arbeiten, liefern hochauflösende ¹
H
NMR-Spektren von Raffinerie- und petrochemischen Strömen. Die in diesen Spektren beobachteten Schwankungen bei sich ändernden physikalischen und chemischen Eigenschaften werden mithilfe der Chemometrie modelliert, um Vorhersagen für unbekannte Proben zu treffen. Die Vorhersageergebnisse werden über analoge oder digitale Ausgänge des Spektrometers an Kontrollsysteme weitergegeben. ⓘ

NMR im Erdmagnetfeld

Im Erdmagnetfeld liegen die NMR-Frequenzen im Tonfrequenzbereich oder in den sehr niederfrequenten und ultraniedrigen Frequenzbändern des Radiofrequenzspektrums. Die Erdfeld-NMR (EFNMR) wird in der Regel dadurch angeregt, dass ein relativ starker Gleichmagnetfeldimpuls an die Probe angelegt wird und nach dem Ende des Impulses das resultierende niederfrequente magnetische Wechselfeld analysiert wird, das im Erdmagnetfeld aufgrund des freien Induktionszerfalls (FID) auftritt. Diese Effekte werden in einigen Arten von Magnetometern, EFNMR-Spektrometern und MRI-Imagern ausgenutzt. Aufgrund ihrer kostengünstigen, tragbaren Bauweise sind diese Instrumente für den Einsatz vor Ort und für die Vermittlung der Grundsätze von NMR und MRI sehr wertvoll. ⓘ

Ein wichtiges Merkmal der EFNMR-Spektrometrie im Vergleich zur Hochfeld-NMR ist, dass einige Aspekte der Molekülstruktur bei niedrigen Feldern und niedrigen Frequenzen deutlicher beobachtet werden können, während andere Aspekte, die bei hohen Feldern beobachtbar sind, bei niedrigen Feldern nicht beobachtet werden können. Der Grund dafür ist:

• Elektronenvermittelte heteronukleare J-Kopplungen (Spin-Spin-Kopplungen) sind feldunabhängig und führen zu Clustern von zwei oder mehr Frequenzen, die durch mehrere Hz voneinander getrennt sind, was bei einer Grundresonanz von etwa 2 kHz leichter zu beobachten ist. "Es scheint in der Tat so zu sein, dass aufgrund der langen Spin-Relaxationszeiten und der hohen Feldhomogenität, die in der EFNMR vorherrschen, eine verbesserte Auflösung möglich ist."
• Chemische Verschiebungen von mehreren ppm sind in Hochfeld-NMR-Spektren klar getrennt, haben aber bei Protonen-EFNMR-Frequenzen nur einen Abstand von einigen Millihertz und werden daher normalerweise nicht aufgelöst. ⓘ

NMR im Nullfeld

Bei der Nullfeld-NMR werden alle Magnetfelder so abgeschirmt, dass Magnetfelder unter 1 nT (Nanotesla) erreicht werden und die Kernpräzessionsfrequenzen aller Kerne gegen Null gehen und ununterscheidbar sind. Unter diesen Umständen werden die beobachteten Spektren nicht mehr durch chemische Verschiebungen bestimmt, sondern in erster Linie durch J-Kopplungswechselwirkungen, die vom äußeren Magnetfeld unabhängig sind. Da induktive Nachweisverfahren bei sehr niedrigen Frequenzen in der Größenordnung der J-Kopplungen (typischerweise zwischen 0 und 1000 Hz) nicht empfindlich sind, werden alternative Nachweisverfahren verwendet. Vor allem empfindliche Magnetometer erweisen sich als gute Detektoren für die NMR im Nullfeld. In einer Umgebung mit einem Magnetfeld von Null gibt es keine Polarisation, daher ist es die Kombination von Nullfeld-NMR mit Hyperpolarisationsverfahren, die die Nullfeld-NMR attraktiv macht. ⓘ

Quantenberechnung

Die NMR-Quanteninformatik nutzt die Spin-Zustände der Kerne in Molekülen als Qubits. Die NMR unterscheidet sich von anderen Implementierungen von Quantencomputern dadurch, dass sie ein Ensemble von Systemen verwendet, in diesem Fall Moleküle. ⓘ

Magnetometer

Verschiedene Magnetometer nutzen NMR-Effekte zur Messung von Magnetfeldern, darunter Protonenpräzessionsmagnetometer (PPM) (auch als Protonenmagnetometer bekannt) und Overhauser-Magnetometer. ⓘ

SNMR

Die magnetische Oberflächenresonanz (oder Magnetresonanzsondierung) basiert auf dem Prinzip der magnetischen Kernresonanz (NMR) und die Messungen können zur indirekten Schätzung des Wassergehalts von gesättigten und ungesättigten Zonen im Erduntergrund verwendet werden. SNMR wird verwendet, um die Eigenschaften von Grundwasserleitern zu schätzen, einschließlich der im Grundwasserleiter enthaltenen Wassermenge, der Porosität und der hydraulischen Leitfähigkeit. ⓘ

Hersteller von NMR-Geräten

Zu den wichtigsten Herstellern von NMR-Geräten gehören Thermo Fisher Scientific, Magritek, Oxford Instruments, Bruker, Spinlock SRL, General Electric, JEOL, Kimble Chase, Philips, Siemens AG und früher Agilent Technologies, Inc. (das Varian, Inc. übernommen hat). ⓘ

Geschichte und Entwicklung

Vor 1940: Zeeman-Effekt und Rabi-Methode

1896 wurde entdeckt, dass sich optische Spektrallinien im Magnetfeld aufspalten (Zeeman-Effekt). Hendrik Antoon Lorentz deutete dies schon bald darauf so, dass die (Kreis-)Frequenz der Lichtwelle sich um den Betrag der Larmor-Frequenz $\pm \omega _{\text{L}}$ verschiebt, weil das Atom einen magnetischen Kreisel darstellt, der vom Magnetfeld zu einer Präzessionsbewegung mit der Larmor-Frequenz angeregt wird. ⓘ

Nach der Lichtquantenhypothese (Einstein 1905) entspricht die Frequenzverschiebung um $\pm \omega _{\text{L}}$ einer Energieänderung $\Delta E=\pm \hbar \omega _{\text{L}}$, die ihrerseits durch die 1916 von Arnold Sommerfeld entdeckte Richtungsquantelung der Drehimpulse erklärt werden konnte. Mit dem Drehimpulsvektor hat auch der dazu parallele magnetische Dipol des Atoms nur diskrete erlaubte Einstellwinkel zum Magnetfeld und entsprechend verschiedene diskrete Werte der magnetischen Energie. So verursacht das Magnetfeld die Aufspaltung eines Energieniveaus in mehrere sogenannte Zeeman-Niveaus. Dieses Bild wurde 1922 im Stern-Gerlach-Experiment direkt bestätigt. Dort wurde gezeigt, dass der kleinste mögliche (nicht verschwindende) Drehimpuls (d. h. Quantenzahl $J={\tfrac {1}{2}}$) nur noch zwei mögliche Einstellwinkel zu einem äußeren Feld haben kann. ⓘ

Ende der 1920er Jahre wurde entdeckt, dass Atomkerne ein ca. 1000fach kleineres magnetisches Moment besitzen als Atome, weshalb die von ihnen verursachten Aufspaltungen der Energieniveaus als Hyperfeinstruktur bezeichnet werden. Die Übergangsfrequenzen zwischen benachbarten Hyperfeinniveaus liegen im Bereich der Radiowellen (MHz). 1936 gelang Isidor Rabi der experimentelle Nachweis, dass die Präzessionsbewegung von Atomen, die im Atomstrahl durch ein konstantes Magnetfeld fliegen, durch die Einstrahlung eines magnetischen Wechselfeldes gestört wird, wenn dessen Frequenz mit einer solchen Übergangsfrequenz in Resonanz ist. In der Folge konnten die magnetischen Momente zahlreicher Kerne mit hoher Genauigkeit bestimmt werden, was u. a. die Entwicklung genauerer Kernmodelle ermöglichte. ⓘ

1950er Jahre: Hochfrequenzpulse und Spinecho

Die Messmöglichkeiten der Kerninduktionsmethode erweiterten sich in den 1950er Jahren, als durch den Einsatz des 10–20 MHz Wechselfeldes in Form kurzzeitiger Pulse die Richtung der Polarisation der Kerne manipulierbar wurde. Liegt die Polarisation zunächst parallel zum konstanten Magnetfeld, kann z. B. durch einen „90°-Puls“ das gesamte Dipolmoment der Probe in eine bestimmte Richtung senkrecht zur Feldrichtung gedreht werden. Das ermöglicht die direkte Beobachtung der anschließenden freien Larmorpräzession des Dipolmoments um die Feldrichtung, denn sie induziert (wie der rotierende Magnet in einem Generator der Elektrotechnik) in einer Antennenspule eine Wechselspannung („freier Induktionszerfall“, FID, für engl. free induction decay). Die Amplitude nimmt dann zeitlich ab, weil der Grad der Ausrichtung der Kernspins längs der gemeinsamen Richtung senkrecht zum Feld abnimmt, teils weil sich die zum statischen Magnetfeld parallele Polarisation wieder herstellt (longitudinale Relaxation), teils durch Feldinhomogenitäten und fluktuierende Störfelder (transversale Relaxation). Beide Prozesse sind hier getrennt beobachtbar, vor allem mittels der von Erwin Hahn erstmals beschriebenen Spin-Echo-Methode. ⓘ

1970/80er Jahre: NMR-Tomographie und Bildgebung

Von den 1970er Jahren an wurde die Kernspinresonanz basierend auf Arbeiten von Peter Mansfield und Paul C. Lauterbur zu einer bildgebenden Methode, der Magnetresonanztomografie, weiterentwickelt. Bei Anlegen eines stark inhomogenen statischen Felds wird die Resonanzfrequenz in kontrollierter Weise vom Ort der Kerne abhängig (Feldgradienten-NMR), allerdings nur in einer Dimension. Daraus kann ein dreidimensionales Bild von der räumlichen Verteilung der Kerne desselben Isotops gewonnen werden, wenn die Messungen nacheinander mit verschiedenen Richtungen der inhomogenen statischen Felder wiederholt werden. Zur Erstellung eines möglichst informationsreichen Bildes, z. B. für medizinische Diagnosen, werden dann nicht nur die Messwerte für die Konzentration des betreffenden Isotops verwertet, sondern auch die für die Relaxationszeiten. Diese Geräte verwenden supraleitende Magnete und 400 bis 800 MHz-Wechselfelder. ⓘ

Spezielle Entwicklungen

Von prinzipiellem physikalischen Interesse sind noch zwei seltener genutzte Methoden:

• Schon 1954 gelang es, nach der FID-Methode die Larmorpräzession der Wasserstoffkerne (Protonen) einer Wasserprobe im Erdmagnetfeld (ca. 50 μT) nachzuweisen. Die Protonen waren durch ein stärkeres Feld senkrecht zum Erdfeld polarisiert worden, das zu einem bestimmten Zeitpunkt schnell abgeschaltet worden war. Die sofort einsetzende Larmorpräzession induziert eine Wechselspannung mit einer Frequenz von ca. 2 kHz, die z. B. zur genauen Vermessung des Erdmagnetfelds genutzt wird. Absorption aus einem resonanten Wechselfeld ist hierbei nicht erforderlich. Daher handelt es sich hier um den reinsten Fall der Beobachtung der Kerninduktion.
• An Kernen in einem genügend langlebigen angeregten Zustand (kürzeste Lebensdauer bisher 37 μs) ist die Kernspinresonanz erfolgreich gezeigt worden, wobei zum Nachweis hier die veränderte Winkelverteilung der von den Kernen emittierten γ-Strahlung genutzt wurde. ⓘ

Physikalische Grundlagen

Bei der Kernspinresonanz lassen sich makroskopische Erklärungen nach der klassischen Physik und mikroskopische Erklärungen nach der Quantenmechanik einfach miteinander kombinieren (hier genauere Begründung). Ausschlaggebend ist dabei, dass die Larmorpräzession der Kernspins eine von ihrer Orientierung unabhängige Größe und Richtung hat. Die entsprechende Wirkung des statischen Feldes kann also durch Übergang in ein Bezugssystem, das mit der Larmorfrequenz um die Feldrichtung rotiert, vollständig wegtransformiert werden, unabhängig von dem jeweiligen Zustand der einzelnen betrachteten Kerne der Probe und der Größe und Richtung des von ihnen gebildeten makroskopischen magnetischen Moments. ⓘ

Relaxation

Die Einstellung der Gleichgewichtspolarisation der Kernspins parallel zum äußeren Feld wird longitudinale Relaxation genannt. Sie dauert in flüssigen und festen Proben bis zu mehreren Sekunden (in Gasen kann sie Wochen dauern), wenn die Probe keine paramagnetischen Beimischungen enthält, also Atome mit permanentem magnetischen Dipolmoment, die durch fluktuierende Magnetfelder Übergänge zwischen den Zeeman-Niveaus bewirken und damit den Energieaustausch mit den Kernspins beschleunigen. Die Zeitkonstante wird mit $T_{1}$ bezeichnet. Der Abbau einer zum Feld senkrechten Polarisation bis zum Gleichgewichtswert Null heißt transversale Relaxation und geht (meistens) schneller vonstatten (Zeitkonstante $T_{2}^{*}$), weil hierzu kein Energieumsatz nötig ist; vielmehr genügt es, dass die quer zum Magnetfeld ausgerichteten Kernspins durch kleine Fluktuationen bei ihrer ständigen Larmor-Präzession um die Feldrichtung ihre gemeinsame Ausrichtung verlieren. Zeitlich folgt die Annäherung an das Gleichgewicht in guter Näherung einer einfachen abklingenden Exponentialfunktion. ⓘ

Bloch-Gleichungen

Die Bloch-Gleichungen fassen die Larmor-Präzession und die longitudinale und transversale Relaxation in einer einzigen Bewegungsgleichung für den Vektor des magnetischen Moments ${\vec {M}}=(M_{x},M_{y},M_{z})$ zusammen (mit Magnetfeld ${\vec {B}}_{0}=(0,0,B_{0})$ und Gleichgewichtsmagnetisierung ${\vec {M}}_{0}=(0,0,M_{0})$, beide parallel zur $z$-Achse):

${d{\vec {M}} \over dt}=\gamma {\vec {M}}{\mathord {\times }}{\vec {B}}_{0}\ -\ {\begin{pmatrix}{\tfrac {M_{x}}{T_{2}^{*}}}\\[0.5em]{\tfrac {M_{y}}{T_{2}^{*}}}\\[0.5em]{\tfrac {M_{z}-M_{0}}{T_{1}}}\end{pmatrix}}$ ⓘ

Darin beschreibt das Kreuzprodukt die Larmorpräzession mit der Winkelgeschwindigkeit ${\vec {\omega }}_{\mathrm {L} }=\gamma {\vec {B}}_{0}$. Im 2. Term ist die Relaxation phänomenologisch als Prozess 1. Ordnung (d. h. einfaches exponentielles Abklingen) zusammengefasst, wobei die Zeitkonstante für die zum Feld parallele Komponente von ${\vec {M}}$ eine andere ist als für die transversalen. Die Bloch-Gleichungen gelten nach der Quantenmechanik auch für den Erwartungswert des magnetischen Moments jedes einzelnen Kerns $\langle {\vec {\mu }}\rangle .$ ⓘ

Transversales Wechselfeld und Absorption von Energie

Ein schwaches zusätzliches Wechselfeld, z. B. in $x$-Richtung, lässt sich immer als Summe von zwei zirkular polarisierten Wechselfeldern auffassen, die z. B. um die $z$-Achse (d. h. die Richtung des starken konstanten Feldes) in entgegengesetztem Sinn rotieren.

• In quantenmechanischer Betrachtung induziert dies Wechselfeld im Resonanzfall Übergänge zwischen den Zeeman-Niveaus in der einen oder anderen Richtung, denn seine zirkular polarisierten Quanten haben den richtigen Drehimpuls ($z$-Komponente $\pm 1\hbar$) und mit $\hbar \omega _{\mathrm {L} }$ dann gerade die richtige Energie. Diese Übergänge stören das thermische Gleichgewicht, denn sie verringern bestehende Unterschiede in den Besetzungszahlen. Das bedeutet eine Netto-Energieaufnahme, weil sich vorher mehr Kerne in niedrigeren Energiezuständen befanden als in höheren, dem thermischen Gleichgewicht entsprechend. Dieser Energiefluss aus dem Wechselfeld in das System der Kernspins würde mit Erreichen der Gleichbesetzung zum Erliegen kommen. Der thermische Kontakt des Spinsystems zur Umgebung, der ja schon für das Hervorbringen der ursprünglichen Gleichgewichtsmagnetisierung entscheidend ist, entzieht dem so gestörten Spinsystem aber laufend Energie. Es stellt sich bei einer etwas verringerten Magnetisierung ein Fließgleichgewicht ein. Der hierfür maßgebliche Parameter ist die longitudinale Relaxationszeit $T_{1}$. Auf dieser continuous wave-Methode beruhen die ersten Nachweise und Anwendungen der Kernspinresonanz nach der Methode von Purcell.
• In makroskopischer Betrachtung lässt sich leichter übersehen, welche Bewegung des makroskopischen Dipolmoments daraus resultiert: Die mit der Larmorpräzession mitrotierende der beiden Komponenten des Wechselfelds stellt im Resonanzfall im mitrotierenden Bezugssystem ein konstantes Feld senkrecht zur $z$-Achse dar. Auf den Dipol wirkt es mit einem Drehmoment, das ihm eine weitere Larmorpräzession um die (sich in der xy-Ebene mitdrehende) Achse dieses Zusatzfelds aufzwingt. Da sich dabei der Einstellwinkel zum viel stärkeren statischen Feld ${\vec {B}}_{0}$ ändern muss, nimmt der Dipol aus dem Wechselfeld Energie auf oder gibt welche ab. Stand der Dipol vorher parallel zur Feldrichtung ${\vec {B}}_{0}$, kann er im verdrehten Zustand selber eine Wechselspannung in einer Empfängerspule induzieren. Ist das Wechselfeld gepulst, kann je nach Einwirkungsdauer das Dipolmoment z. B. gezielt genau um 90° gedreht oder auch ganz umgekehrt werden (soweit die Relaxationszeit $T_{1}$ das zulässt). Daraus ergeben sich die zahlreichen verschiedenen Pulsmethoden mit ihren vielseitigen Messmöglichkeiten (z. B. das Spin-Echo zur getrennten Bestimmung von $T_{1}$ und $T_{2}^{*}$). ⓘ