NMR jenseits thermischer Polarisation Vortrag im Rahmen des Hauptseminars AC V NMR jenseits thermischer Polarisation Xe H Tobias Kemnitzer Bayreuth, 01.02.2011

Grundlagen der NMR-Spektroskopie Übersicht Grundlagen der NMR-Spektroskopie Thermische Polarisation in der NMR-Spektroskopie Problem: NMR im thermischen Gleichgewicht!? NMR jenseits thermischer Polarisation Dynamische Kernpolarisation (DNP) Einsatz von para-Wasserstoff Einsatz von hyperpolarisiertem 129Xenon

Grundlage der NMR-Spektroskopie Prinzip der NMR-Spektroskopie: Energetische Aufspaltung der Kernspinzustände im externen Magnetfeld B0 Spektroskopie möglich durch Anregung mit Radiowellen w = w0 (Larmorfrequenz) Messung: Pulsinduzierter Magnetisierungszerfall (Puls-FT-NMR) Zeeman-Niveaus für Kernspin I = ½ E B0 = 0 B0 ≠ 0 mI = + 1/2 mI = - 1/2 DE = ℏgB0 = ℏw0 K. Bergander, Skript zur Vorlesung Spektroskopische Methoden der organischen Chemie, 2009, Münster

Thermische Polarisation in der NMR-Spektroskopie Verteilung der Kernzustände im thermischen Gleichgewicht Thermische Polarisation Boltzmann-Statistik: 𝑁 𝛽 𝑁 𝛼 = 𝑒 − 𝛥𝐸 𝑘 𝐵 𝑇 Polarisation: 𝑃= 𝑁 ↑ −𝑁 ↓ 𝑁 ↑ +𝑁 ↓ mI = -½ mI = ½ 1H, B0 = 11,7 T (500 MHz) IR, 1000 cm-1 𝑁 𝛽 𝑁 𝛼 = 0.99991 𝑁 𝛽 𝑁 𝛼 = 0.01 P = 0.0045 % P = 98 %

Problem: NMR im thermischen Gleichgewicht!? NMR extrem insensitive Methode! Signal/Rausch-Verhältnis sehr schlecht Möglichkeit, das thermische Gleichgewicht zu verändern ?!

Problem: NMR im thermischen Gleichgewicht ?! Möglichkeit A: Boltzmann-Verteilung beeinflussen Temperaturerniedrigung Problem: Extrem verlängerte Relaxationszeiten, in Flüssigkeiten kaum möglich Erhöhung der Feldstärke Problem: Sehr Teuer und fehlende Technik E B0 DE

NMR jenseits thermischer Polarisation Möglichkeit B: Die thermische Polarisation „austricksen“ NMR jenseits thermischer Polarisation Mehrere Methoden verfügbar: I. Dynamische Kernpolarisation (DNP) II. Einsatz von Parawasserstoff III. Einsatz von hyperpolarisiertem 129Xenon Wichtige Punkte: Funktionsweise Anwendungsbereiche Vor- und Nachteile

I. Dynamische Kernpolarisation (DNP) Funktionsweise: Erhöhung der Polarisation durch Kopplung mit dem Elektronenspin Vorraussetzung: Zugabe stabiler Radikale Es bildet sich Energieaufspaltung (vgl. ESR-Spektroskopie) TEMPO 2,2,6,6-Tetramethylpiperidinyloxyl BDPA Bis-a,g-diphenylen-b-phenyl-allyl TOTAPOL 1-(TEMPO-4-oxy)-3-(TEMPO-4-amino)- 2-propanol T. Maly, G. T. Debelouchina, V. S. Bajaj, K.-N. Hu, C.-G. Joo, M. L. MakJurkauskas, J. R. Sirigiri, P. C. A. van der Wel, J. Herzfeld, R. J. Temkin, R. G. Griffin, J. Chem. Phys. 2008, 128, 052211-052219.

I. Dynamische Kernpolarisation (DNP) Was führt zur Signalverstärkung? Erklärung anhand des Overhauser Effekts: Spins koppeln Durch Sättigung des Elektronenspinübergangs „Polarisationsfluss“ zu aa Polarisierung des Kernspinzustands NMR-Experiment ba aa bb ab a b Kernspin Elektronspin a b T. Maly, G. T. Debelouchina, V. S. Bajaj, K.-N. Hu, C.-G. Joo, M. L. MakJurkauskas, J. R. Sirigiri, P. C. A. van der Wel, J. Herzfeld, R. J. Temkin, R. G. Griffin, J. Chem. Phys. 2008, 128, 052211-052219.

I. Dynamische Kernpolarisation (DNP) Technische Umsetzung: NMR-Spektrometer plus Mikrowellenquelle Bei B0 = 7.0 T (300 MHz) n = 196 GHz Einzige Strahlenquelle ist Gyrotron mit Kryomagnet T. Maly, G. T. Debelouchina, V. S. Bajaj, K.-N. Hu, C.-G. Joo, M. L. MakJurkauskas, J. R. Sirigiri, P. C. A. van der Wel, J. Herzfeld, R. J. Temkin, R. G. Griffin, J. Chem. Phys. 2008, 128, 052211-052219; http://www.bruker-biospin.com/dnp-dir.html, 23.01.2011.

I. Dynamische Kernpolarisation (DNP) Vorteile der Dynamischen Kernpolarisation: Stark verbesserte Signalintensitäten bei weniger Scans Elektronenspin 1H Andere NMR-Experimente Anwendung in Flüssig- und Festkörper-NMR Glucose + Totapol 1 Scan 512 scans T. Maly, G. T. Debelouchina, V. S. Bajaj, K.-N. Hu, C.-G. Joo, M. L. MakJurkauskas, J. R. Sirigiri, P. C. A. van der Wel, J. Herzfeld, R. J. Temkin, R. G. Griffin, The Journal of Chemical Physics 2008, 128, 052211-052219.

I. Dynamische Kernpolarisation (DNP) Nachteile: Technischer Aufwand Nur Gyrotron als Mikrowellenquelle Mögliche Reaktion Radikal Probe Anwendungsbereiche: Flüssig- und Festkörper-NMR Bevorzugt bei Proteinen, Aminosäuren und Zuckern 2D-Experimente bei Proteinen ab aa bb ba a b Kernspin Elektronspin a b

II. Para-Wasserstoff Funktionsweise: Nutzung der antiparallel ausgerichteten Kernspins in para- Wasserstoff zur Erzeugung einer Hyperpolarisation Wasserstoff liegt in zwei Formen vor: ortho- und para-Wasserstoff ortho-H2 : para-H2 = H H H H Ortho-Form Para-Form DH < 0 o-H2 p-H2 3 : 1 bei Raumtemperatur 3 : 3 bei 77 K J. Natterer, J. Bargon, Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 1997, 31, 293-315.

II. Para-Wasserstoff „Normale Hydrierung“ 3J-Kopplung der H-Atome AX-Spinsystem im thermischen Gleichgewicht Einfache Dublettaufspaltung bb 3 1 1 2 3 4 ab ba 2 ppm 4 aa J. Natterer, J. Bargon, Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 1997, 31, 293-315.

II. Para-Wasserstoff Jetzt: Einsatz von para-Wasserstoff in Magnetfeld Ähnliche Kopplung und Energiezustände ABER: Durch para-Wasserstoff nur zwei Zustände besetzt Im Spektrum charakteristisches Signal mit hoher Intensität bb 1 3 3 1 ab ba ppm 2 4 aa 2 4 J. Natterer, J. Bargon, Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 1997, 31, 293-315.

II. Para-Wasserstoff Technische Umsetzung Katalytische Anreicherung von para-Wasserstoff Durchfluss durch Aktivkohle 77K erzeugt 1:1 - Gemisch Hydrierung im geschlossenen System Hydrierung unter „continuous flow“ J. Natterer, J. Bargon, Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 1997, 31, 293-315.

II. Para-Wasserstoff Anwendungsbereiche Reaktionen mit molekularem H2 Detektion kurzlebiger Katalysatorintermediate 1H 1H{31P} 1H S. B. Duckett, C. L. Newell, R. Eisenberg, J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 10548-10556; S. B. Duckett, R. Eisenberg, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 5292-5293

II. Para-Wasserstoff Vorteile beim Einsatz von Para-Wasserstoff Enorm verbesserte Signalintensität (Faktor 5.000-10.000) Charakteristisches Signal Geringer apparativer Aufwand Nachteile Nach einem Scan relaxiert Nur bei chemischer Umsetzung von H2 einsetzbar ab ba aa bb ppm 1 2 3 4

III. Hyperpolarisiertes 129Xenon Funktionsweise: Indirekte Hyperpolarisation durch das optische Pumpen von Rubidium-Dampf Polarisation von Rb mit Laserlicht Übertragung auf Xenon-Kernspin Xenon direkt messbar Polarisationstransfer auf andere Kerne Xe Xe Rb h·n Rb Rb B. M. Goodson, J. Magn. Reson. 2002, 155, 157-216.

III. Hyperpolarisiertes 129Xenon Was führt zur Hyperpolarisierung? Optisches Pumpen von Rubidium mit zirkular polarisiertem Laserlicht Erhöhung der Population im Zustand 2S ½ mit mj = ½ Austausch zwischen Rb und Xe durch Kollision Polarisierung von Xe Mischung 2P ½ 2S ½ mj - ½ ½ B. M. Goodson, J. Magn. Reson. 2002, 155, 157-216.

III. Hyperpolarisiertes 129Xenon Technische Umsetzung Gasgemische aus Xenon, Stickstoff und Helium Gasgemisch mit wenig gasförmigem Rubidium zwischen Helmholtzspulen Bestrahlen mit zirkular polarisiertem Laserlicht B. M. Goodson, J. Magn. Reson. 2002, 155, 157-216; Daniela Baumer, Dissertation Universität Regensburg, 2006.

III. Hyperpolarisiertes 129Xenon Anwendungsbereiche Xenon als „Sonde“ bei Adsorptionen (Porengrößenverteilung) Polarisationstransfer auf andere Kerne In der MRT zur Bildgebung in lebendem Gewebe 192Xe-EXSY 1H-MRT 1H- und 129Xe-MRT B. M. Goodson, J. Magn. Reson. 2002, 155, 157-216.

III. Hyperpolarisiertes 129Xenon Vorteile beim Einsatz von hyperpolarisiertem 129Xe Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten Xenon ist ungiftig Enorme Signalverbesserung (teilweise Faktor 11.000 bei 10 % Polarisation) Nachteile Aufwendige Apparatur Polarisation nach jeder Messung verloren Hyperpolarisiertes Xenon nur unter starken Magnetfeldern langlebig

NMR jenseits thermischer Polarisation Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit ! Xe H DNP Para-H2 Hyperpolarisiertes 192Xe

Zum Weiterlesen… DNP: Para-Wasserstoff: Hyperpolarisiertes 129Xe: T. Maly, G. T. Debelouchina, V. S. Bajaj, K.-N. Hu, C.-G. Joo, M. L. MakJurkauskas, J. R. Sirigiri, P. C. A. van der Wel, J. Herzfeld, R. J. Temkin, R. G. Griffin, J. Chem. Phys. 2008, 128, 052211-052219. Para-Wasserstoff: J. Natterer, J. Bargon, Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 1997, 31, 293-315. Hyperpolarisiertes 129Xe: B. M. Goodson, J. Magn. Reson. 2002, 155, 157-216.