Kernspinresonanzspektroskopie (NMR)
Innerhalb der letzten fünfzig Jahren hat sich die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) zu einer führenden Methode zur Bestimmung der Struktur organischer Verbindungen auf molekularer Ebene entwickelt.
In der NMR wird eine Probe in ein äußeres Magnetfeld gebracht, das die Spins der Kerne (1H oder 13C) in dem Material ausrichtet und zu einer magnetischen Polarisation führt. Nachfolgende elektromagnetische Hochfrequenzimpulse ermöglichen die Resonanz mit den "Lamor-Frequenzen“, welche die Polarisation der Kernspins senkrecht zum statischen Feld stören. Als Ergebnis der Störung entsteht ein zeitabhängiges Magnetfeld. Dieses magnetische Feld induziert wiederrum eine Wechselspannung in einer, die Probe umgebenden, Spule. Die Messung der Absorption der magnetischen Impulse in Abhängigkeit von der Frequenz heißt NMR-Spektroskopie.
Die im SFB untersuchten Strukturen von Polymeren können nun durch die chemische Verschiebung bestimmt werden, welche durch die Resonanzfrequenz des Kerns relativ zu einem Standard, wie z. B. Tetramethylsilan (TMS), definiert ist.
Die strukturelle Konformation und die Abschirmungseffekte durch die umgebenden Elektronen ergeben ein effektives magnetisches (B)-Feld um die Kerne in den untersuchten Polymeren. Die chemische Verschiebung des jeweiligen Kerns wird dadurch ebenfalls geändert. Diese lokalen Veränderungen des Magnetfeldes durch die lokale Struktur und die Wechselwirkungen zwischen den Teilen des langkettigen Moleküls werden durch die NMR-Spektroskopie gemessen.
Innerhalb des SFB Projektes A06 werden zum Beispiel 13C-Festkörper-NMR Messung an Biopolymeren durchgeführt (siehe Abbildung 1). Diese Technik beinhaltet die Energieübertragung der reichlich vorhandenen Kerne (1H) zu den beobachteten 13C Kernen („Cross Polarisation“), um das gemessene Signal zu erhöhen. Zusätzlich wird eine hohe spektrale Auflösung durch die schnelle Rotation der Probe um einen Winkel von 54,74° erreicht. Diese Methode mittelt über die dipolaren Wechselwirkungen und wird als „Magic Angle Spinning“ (MAS) Technik bezeichnet.
Die in Abbildung 1 gezeigten protonengetriebenen Spindiffusionsexperimente werden in dicht gekoppelt Protonennetzwerken verwendet, welche oft in biologischen Proben vorliegen. Hier sind zwei Kerne korreliert um 13C-13C -Austauschspektren zu erhalten. Diese Spektren zeigen ein 1H-1H vermittelten 13C-13C Kontakt. Während einer definierten Mischzeit tritt Spindiffusion zwischen den Kohlenstoffatomen auf. Dieses zweidimensionale Verfahren führt zu einer verbesserten Zuordnung der NMR-Signale und einer Abschätzung von Abständen zwischen verschiedenen Atomen. Durch diese Korrelationsspektren (siehe Abbildung 1) werden interessante Einblicke in die Tertiärstruktur von Protofibrillen möglich.