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Zweidimensionale Kernspinresonanzspektroskopie Unter zweidimensionaler Kernspinresonanzspektroskopie 2D NMR versteht man

Zweidimensionale Kernspinresonanzspektroskopie

Unter zweidimensionaler Kernspinresonanzspektroskopie (2D-NMR) versteht man Kernspinresonanzspektroskopieverfahren, bei denen die Intensitäten in Abhängigkeit von zwei Frequenzachsen aufgezeichnet werden, generiert also dreidimensionale Diagramme. Zweidimensionale NMR-Spektren liefern mehr Informationen über ein Molekül als eindimensionale NMR-Spektren und sind deshalb besonders nützlich bei der Bestimmung der Struktur eines Moleküls, insbesondere für Moleküle deren Struktur zu kompliziert ist, um sie mit eindimensionalen NMR zu untersuchen.

Beschreibung Bearbeiten

Das Verfahren beruht darauf eine Reihe an Spektren aufzunehmen und währenddessen einen Pulsparameter kontinuierlich in seiner Dauer zu verändern, wodurch sich Phase und Intensität der Spektren systematisch ändern. Durch erneute Fouriertransformation der einzelnen Punkte der Spektren entlang dieser Zeitachse wird aus den eindimensionalen Spektren ein zweidimensionales erhalten.

Werden dabei auf der einen Frequenzachse chemische Verschiebungen aufgetragen und auf der anderen Kopplungskonstanten, so spricht man von zweidimensionalen J-aufgelösten NMR-Spektren.

Die Entwicklung machte jedoch bei zwei Dimensionen nicht halt. Durch Variation weiterer Parameter können höherdimensionale Spektren erhalten werden. Die benötigte Spektrenzahl und damit Messzeit steigt dabei exponentiell an. Inzwischen werden auch dreidimensionale Experimente (3D-NMR) mit drei Frequenzachsen fast routinemäßig durchgeführt, wobei auf jeder Achse die Resonanzen eines anderen Kernes aufgetragen sein können Zum Beispiel 1H, 13C, 15N oder 31P. Es können jedoch auch auf zwei Achsen 1H-Resonanzen und nur auf der dritten ein Heterokern abgetragen werden.

Die zweidimensionale Kernresonanzspektroskopie hat gegenüber eindimensionalen Methoden mehrere Vorteile:

  • Durch die Aufteilung auf zwei Dimensionen kann man auch komplizierte Spektren auflösen die in einer Dimension durch starke Überlagerungen nicht mehr interpretierbar sind.
  • Man erhält die gesamte Information über alle Gruppen des Moleküls auf einmal.
  • Man kann auf zwei Dimensionen verschiedene physikalische Wechselwirkungen auswählen, nach denen man separieren will. Dadurch sind verschiedene Verfahren der 2D-NMR möglich.
  • Weiterhin kann man Mehrquantenübergänge, die in erster Näherung spinverboten sind, in der zweidimensionalen NMR-Spektroskopie beobachten.

Ausführung Bearbeiten

Das Basisexperiment der 2D-NMR lässt sich vom Ablauf her schematisch in vier Zeitabschnitte einteilen die Präparationsphase, die Evolutionsphase, die Mischphase und die Detektionsphase. Während der Detektionsphase werden die Signale, wie im konventionellen eindimensionalen Fall, in äquidistanten Abständen Δt2 detektiert, digitalisiert und abgespeichert. In der Präparationsphase wird longitudinale Polarisation aufgebaut. Sie endet meist mit einem 90°-Puls, der Quermagnetisierung erzeugt. Während der Evolutionsphase mit der variablen Zeitdauer t1 entwickeln sich Kohärenzen unter dem Einfluss verschiedener Faktoren (z. B. Larmorpräzession, Spin-Spin-Kopplung), die in der Mischperiode, die jedoch nicht immer notwendig ist, miteinander gekoppelt und in detektierbare Transversalmagnetisierung umgewandelt werden. Die Evolutionszeit t1 wird von Experiment zu Experiment um einen festen Wert dt1 stufenweise erhöht. Der zu jedem Δt1-Wert gehörige FID (free induction decay) wird getrennt abgespeichert. Man erhält also eine zweidimensionale Matrix, die jedem Paar (t1,t2) eine Signalamplitude S(t1,t2) zuordnet. Eine zweidimensionale Fouriertransformation führt dann das Zeitsignal S(t1,t2) in das Frequenzsignal S(ω1,ω2) über.

Alle FIDs werden wie gewöhnlich als Funktion von t2 transformiert. Die daraus entstehende neue Datenmatrix enthält nun nach t1 geordnet in den Reihen (der ω2-Richtung) die NMR-Spektren. Als nächstes wird noch einmal in t1-Richtung transformiert. Die Darstellung erfolgt in Form eines 3D-Diagramms (en: stacked plot) oder als Konturliniendiagramm in einem quadratischen Diagramm, dessen Achsen die üblichen Frequenzskalen darstellen.

Geschichte Bearbeiten

Nach einem Vorschlag von Jean Jeener aus dem Jahr 1971 wurden Mehrpulsexperimente mit einer systematisch variierten Wartezeit zwischen zwei Pulsen entwickelt, die nach Fourier-Transformation über zwei Zeitbereiche zu zweidimensionalen Spektren führten. In den siebziger Jahren waren Richard R. Ernst und seine Mitarbeiter entscheidend an der Entwicklung der 2D-NMR beteiligt. Im Jahre 1991 erhielt er den Nobelpreis für Chemie. Durch seine und die Arbeiten von R. Freemann wurde die 2D-NMR praktisch realisierbar. Kurt Wüthrich und andere bauten diese 2D- und Multi-Dimensions-NMR zu einer bedeutenden Analysetechnik der Biochemie aus, insbesondere zur Strukturanalyse von Biopolymeren wie Proteinen. Wüthrich bekam für diese Arbeiten 2002 den Nobelpreis in Chemie.

Verfahren zweidimensionaler NMR-Spektroskopie Bearbeiten

Durch Auswahl der Spektren zum Beispiel durch Art und Auswahl der zeitlichen Abfolge der Impulse und Berechnungsverfahren sind verschiedene Varianten der 2D-NMR möglich. Wenn man alle Varianten mitrechnet, gibt es inzwischen mehrere hundert verschiedene Arten der 2D-NMR-Spektroskopie. Für biochemische Zwecke spielen jedoch nur wenige eine Rolle. Bei den in der Praxis wichtigsten Verfahren sind zweimal 1H- oder 1H- und 13C-chemische Verschiebungen miteinander verknüpft. Die zweidimensionalen Verfahren setzen eine Kopplung von Kerndipolen voraus. Dabei muss es sich nicht unbedingt um eine skalare Kopplung handeln Die Wechselwirkung kann wie beim Kern-Overhauser-Effekt auch dipolarer Natur sein, das heißt, sie erfolgt durch den Raum. Häufig verwendete Verfahren sind:

Im Standard-COSY bestehen die Vorbereitungs- (p1) und die Mischperioden (p2) jeweils aus einem einzigen 90°-Puls, der durch die Evolutionszeit t1 getrennt ist. Das Resonanzsignal aus der Probe wird während der Erfassungsperiode über einen Zeitraum von t2 gelesen.
1H COSY Spektrum von Progesteron
1H–15N HSQC Spektrum eines Fragmentes des Proteins NleG3-2.

Weblinks Bearbeiten

Commons: Zweidimensionale Kernspinresonanzspektroskopie – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. ↑ Matthias Otto: Analytische Chemie. John Wiley & Sons, 2011, ISBN 3-527-32881-5, S. 270 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  2. ↑ Horst Friebolin: Ein- und zweidimensionale NMR-Spektroskopie Eine Einführung. John Wiley & Sons, 2013, ISBN 978-3-527-33492-6, S. 423 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  3. ↑ Roland Winter, Frank Noll: Methoden der Biophysikalischen Chemie. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-663-05794-9, S. 437 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  4. Eva-Maria Neher: Aus den Elfenbeintürmen der Wissenschaft. Wallstein Verlag, 2005, ISBN 978-3-89244-989-8, S. 63 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  5. Aue, W. P., Bartholdi, E., Ernst, R. R. (1976): Two-dimensional spectroscopy. Application to nuclear magnetic resonance. In: Journal of Chemical Physics, 64: 2229–2246.
  6. Nobelpreisvortrag von Wüthrich (PDF; 399 kB).
  7. Douglas A. Skoog, James J. Leary: Instrumentelle Analytik Grundlagen – Geräte – Anwendungen. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-662-07916-4, S. 378 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
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Veröffentlichungsdatum:
Unter zweidimensionaler Kernspinresonanzspektroskopie 2D NMR versteht man Kernspinresonanzspektroskopieverfahren bei denen die Intensitaten in Abhangigkeit von zwei Frequenzachsen aufgezeichnet werden generiert also dreidimensionale Diagramme 1 Zweidimensionale NMR Spektren liefern mehr Informationen uber ein Molekul als eindimensionale NMR Spektren und sind deshalb besonders nutzlich bei der Bestimmung der Struktur eines Molekuls insbesondere fur Molekule deren Struktur zu kompliziert ist um sie mit eindimensionalen NMR zu untersuchen Inhaltsverzeichnis 1 Beschreibung 2 Ausfuhrung 3 Geschichte 4 Verfahren zweidimensionaler NMR Spektroskopie 5 Weblinks 6 EinzelnachweiseBeschreibung BearbeitenDas Verfahren beruht darauf eine Reihe an Spektren aufzunehmen und wahrenddessen einen Pulsparameter kontinuierlich in seiner Dauer zu verandern wodurch sich Phase und Intensitat der Spektren systematisch andern Durch erneute Fouriertransformation der einzelnen Punkte der Spektren entlang dieser Zeitachse wird aus den eindimensionalen Spektren ein zweidimensionales erhalten Werden dabei auf der einen Frequenzachse chemische Verschiebungen aufgetragen und auf der anderen Kopplungskonstanten so spricht man von zweidimensionalen J aufgelosten NMR Spektren 1 Die Entwicklung machte jedoch bei zwei Dimensionen nicht halt Durch Variation weiterer Parameter konnen hoherdimensionale Spektren erhalten werden Die benotigte Spektrenzahl und damit Messzeit steigt dabei exponentiell an Inzwischen werden auch dreidimensionale Experimente 3D NMR mit drei Frequenzachsen fast routinemassig durchgefuhrt wobei auf jeder Achse die Resonanzen eines anderen Kernes aufgetragen sein konnen Zum Beispiel 1H 13C 15N oder 31P Es konnen jedoch auch auf zwei Achsen 1H Resonanzen und nur auf der dritten ein Heterokern abgetragen werden 2 Die zweidimensionale Kernresonanzspektroskopie hat gegenuber eindimensionalen Methoden mehrere Vorteile 3 Durch die Aufteilung auf zwei Dimensionen kann man auch komplizierte Spektren auflosen die in einer Dimension durch starke Uberlagerungen nicht mehr interpretierbar sind Man erhalt die gesamte Information uber alle Gruppen des Molekuls auf einmal Man kann auf zwei Dimensionen verschiedene physikalische Wechselwirkungen auswahlen nach denen man separieren will Dadurch sind verschiedene Verfahren der 2D NMR moglich Weiterhin kann man Mehrquantenubergange die in erster Naherung spinverboten sind in der zweidimensionalen NMR Spektroskopie beobachten Ausfuhrung BearbeitenDas Basisexperiment der 2D NMR lasst sich vom Ablauf her schematisch in vier Zeitabschnitte einteilen die Praparationsphase die Evolutionsphase die Mischphase und die Detektionsphase Wahrend der Detektionsphase werden die Signale wie im konventionellen eindimensionalen Fall in aquidistanten Abstanden Dt2 detektiert digitalisiert und abgespeichert In der Praparationsphase wird longitudinale Polarisation aufgebaut Sie endet meist mit einem 90 Puls der Quermagnetisierung erzeugt Wahrend der Evolutionsphase mit der variablen Zeitdauer t1 entwickeln sich Koharenzen unter dem Einfluss verschiedener Faktoren z B Larmorprazession Spin Spin Kopplung die in der Mischperiode die jedoch nicht immer notwendig ist miteinander gekoppelt und in detektierbare Transversalmagnetisierung umgewandelt werden Die Evolutionszeit t1 wird von Experiment zu Experiment um einen festen Wert dt1 stufenweise erhoht Der zu jedem Dt1 Wert gehorige FID free induction decay wird getrennt abgespeichert Man erhalt also eine zweidimensionale Matrix die jedem Paar t1 t2 eine Signalamplitude S t1 t2 zuordnet Eine zweidimensionale Fouriertransformation fuhrt dann das Zeitsignal S t1 t2 in das Frequenzsignal S w1 w2 uber 3 S w 1 w 2 S t 1 t 2 e i w t 1 e i w t 2 d t 2 d t 1 displaystyle S omega 1 omega 2 int limits infty infty int limits infty infty S t 1 t 2 e i omega t 1 e i omega t 2 dt 2 dt 1 nbsp Alle FIDs werden wie gewohnlich als Funktion von t2 transformiert Die daraus entstehende neue Datenmatrix enthalt nun nach t1 geordnet in den Reihen der w2 Richtung die NMR Spektren Als nachstes wird noch einmal in t1 Richtung transformiert Die Darstellung erfolgt in Form eines 3D Diagramms en stacked plot oder als Konturliniendiagramm in einem quadratischen Diagramm dessen Achsen die ublichen Frequenzskalen darstellen 3 Geschichte BearbeitenNach einem Vorschlag von Jean Jeener aus dem Jahr 1971 wurden Mehrpulsexperimente mit einer systematisch variierten Wartezeit zwischen zwei Pulsen entwickelt die nach Fourier Transformation uber zwei Zeitbereiche zu zweidimensionalen Spektren fuhrten 4 In den siebziger Jahren waren Richard R Ernst und seine Mitarbeiter entscheidend an der Entwicklung der 2D NMR beteiligt Im Jahre 1991 erhielt er den Nobelpreis fur Chemie 3 5 Durch seine und die Arbeiten von R Freemann wurde die 2D NMR praktisch realisierbar 2 Kurt Wuthrich und andere bauten diese 2D und Multi Dimensions NMR zu einer bedeutenden Analysetechnik der Biochemie aus insbesondere zur Strukturanalyse von Biopolymeren wie Proteinen Wuthrich bekam fur diese Arbeiten 2002 den Nobelpreis in Chemie 6 Verfahren zweidimensionaler NMR Spektroskopie BearbeitenDurch Auswahl der Spektren zum Beispiel durch Art und Auswahl der zeitlichen Abfolge der Impulse und Berechnungsverfahren sind verschiedene Varianten der 2D NMR moglich 7 Wenn man alle Varianten mitrechnet gibt es inzwischen mehrere hundert verschiedene Arten der 2D NMR Spektroskopie Fur biochemische Zwecke spielen jedoch nur wenige eine Rolle 3 Bei den in der Praxis wichtigsten Verfahren sind zweimal 1H oder 1H und 13C chemische Verschiebungen miteinander verknupft Die zweidimensionalen Verfahren setzen eine Kopplung von Kerndipolen voraus Dabei muss es sich nicht unbedingt um eine skalare Kopplung handeln Die Wechselwirkung kann wie beim Kern Overhauser Effekt auch dipolarer Natur sein das heisst sie erfolgt durch den Raum 2 Haufig verwendete Verfahren sind COSY engl correlation spectroscopy Zweidimensionale Methode bei der gleichartige Kerne 1H homonukleare COSY oder verschiedenartige Kerne heteronukleare COSY uber ihre skalaren Kopplungen miteinander korreliert werden COSY Spektren sind symmetrisch bezuglich der Diagonalen Mit COSY konnen komplizierte Kopplungsmuster raumlich entzerrt werden nbsp Im Standard COSY bestehen die Vorbereitungs p1 und die Mischperioden p2 jeweils aus einem einzigen 90 Puls der durch die Evolutionszeit t1 getrennt ist Das Resonanzsignal aus der Probe wird wahrend der Erfassungsperiode uber einen Zeitraum von t2 gelesen nbsp 1H COSY Spektrum von ProgesteronDOSY engl diffusion ordered spectroscopy Verfahren bei dem mittels Feldgradienten NMR Molekule mit unterschiedlichem Diffusionsverhalten NMR spektroskopisch getrennt erfasst werden konnen TOCSY engl total correlated spectroscopy Zweidimensionale Methode bei der gleichartige Kerne 1H uber ihre skalaren Kopplungen miteinander korreliert werden TOCSY Spektren sind wie COSY Spektren symmetrisch bezuglich der Diagonalen Zusatzlich zu den im COSY detektierten Signalen erscheinen im TOCSY Korrelationen zwischen dem Startkern und samtlichen indirekt uber mehrere Kopplungen mit ihm verbundenen Kernen Spinsystem Das TOCSY Experiment ist vor allem bei der Strukturaufklarung hochmolekularer Substanzen mit raumlich begrenzten Spinsystemen wie etwa Polysacchariden oder Peptiden sehr nutzlich HSQC engl heteronuclear single quantum coherence Zweidimensionale Methode bei der chemische Verschiebungen unterschiedlicher miteinander skalar koppelnder Nuklide korreliert werden Die HSQC Spektren sind haufig recht ubersichtlich da gewohnlich nur Signale von direkt aneinander gebundenen Atomen erscheinen Typische Beispiele sind 1H 13C und 1H 15N Korrelationen nbsp 1H 15N HSQC Spektrum eines Fragmentes des Proteins NleG3 2 HMBC engl heteronuclear multiple bond correlation Zweidimensionale Methode bei der chemische Verschiebungen unterschiedlicher miteinander skalar koppelnder Nuklide korreliert werden Im Gegensatz zum HSQC werden im HMBC Korrelationen uber mehrere Bindungen angezeigt Typisch sind vor allem 1H 13C Korrelationen NOESY engl nuclear overhauser enhancement and exchange spectroscopy Zweidimensionale Methode mit der Korrelationen uber den Kern Overhauser Effekt NOE anstatt uber skalare Kopplungen detektiert werden Mit dieser Methode konnen raumlich benachbarte Kerne erkannt werden wenn sie nicht skalar miteinander koppeln Es gibt sowohl homo als auch heteronukleare Versionen Dieses Verfahren wird haufig in der Strukturaufklarung eingesetzt Weblinks Bearbeiten nbsp Commons Zweidimensionale Kernspinresonanzspektroskopie Sammlung von Bildern Videos und AudiodateienEinzelnachweise Bearbeiten a b Matthias Otto Analytische Chemie John Wiley amp Sons 2011 ISBN 3 527 32881 5 S 270 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche a b c Horst Friebolin Ein und zweidimensionale NMR Spektroskopie Eine Einfuhrung John Wiley amp Sons 2013 ISBN 978 3 527 33492 6 S 423 eingeschrankte Vorschau 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