Kernspinresonanz

Kernspinresonanz, auch Kernspinresonanzspektroskopie genannt, ist eine spectroskopische Methode zur Untersuchung von Molekülen anhand der magnetischen Eigenschaften bestimmter Atomkerne. In einem starken externen Magnetfeld B0 besitzen Kerne mit Spin diskrete Energiezustände. Wird das Probenmaterial mit Radiowellen der passenden Larmorfrequenz angeregt, ergeben sich Übergänge zwischen diesen Zuständen, und die durch eine Induktionsspule registrierte Signalamplitude liefert ein Spektrum.

Die Larmorfrequenz hängt von der Kernart, dem Feldstärke und der chemischen Umgebung ab. Charakteristische Signale entstehen durch chemische Verschiebung, Kopplung von Nachbarn (J-Kopplung) und Relaxationsprozesse (T1 und T2), die Informationen über Struktur, Dynamik und Umgebungsbedingungen geben. In Lösung zeigen sich scharfe Linien dank schneller Molekülbewegung; in Festkörperproben sind Linien oft breiter, weshalb Techniken wie Magic-Angle-Spinning (MAS) eingesetzt werden. Die meist verwendeten Kerne sind Protium (1H) und Kohlenstoff-13 (13C); weitere häufig analysierte Kerne sind 15N, 19F, 31P.

Anwendungsfelder umfassen die beständige Identifikation und Strukturaufklärung organischer, anorganischer und biochemischer Verbindungen, die Bestimmung von Konformationen, Dynamiken und Wechselwirkungen sowie die chemische Mengenbestimmung. Eine enge Verknüpfung besteht zu der medizinischen Bildgebung (Magnetresonanztomographie, MRI), die überwiegend auf der Protonen-NMR-Technologie basiert.

Neben der hohen Informationstiefe ist die Empfindlichkeit oft begrenzt, da Kernsignale schwach sind und von der isotopenhäufigkeit abhängen. Wichtige Einschränkungen ergeben sich durch starke Magnetfelder, Kosten und Probenempfindlichkeit gegenüber Umgebungsbedingungen.