Kernmagnetische resonantiespectroscopie (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) is de krachtigste techniek voor structuuropheldering van organische moleculen. De methode maakt gebruik van de magnetische eigenschappen van atoomkernen met een spin (¹H, ¹³C, ²¹P, ¹³F, ¹·N) om informatie te verkrijgen over de chemische omgeving, bindingen en driedimensionale rangschikking van atomen in een molecuul. NMR is onmisbaar in de farmaceutische industrie (structuurbevestiging, metabolietenonderzoek), organische synthese, materiaalwetenschap en biochemisch onderzoek.
Atoomkernen met een oneven massa- of atoomgetal bezitten een magnetisch dipoolmoment (spin). In een sterk extern magneetveld (B₀) richten de kernen zich parallel of antiparallel aan het veld op, met een energieverschil dat overeenkomt met een radiofrequentie (RF). Wanneer een korte RF-puls wordt aangelegd die overeenkomt met de Larmor-frequentie van de kern, worden de kernen in een hogere energietoestand gebracht. Bij relaxatie zenden zij een zwak RF-signaal uit dat wordt geregistreerd als het Free Induction Decay (FID). Een Fourier-transformatie van het FID geeft het NMR-spectrum.
De exacte resonantiefrequentie van een kern is afhankelijk van de elektronendichtheid in zijn directe omgeving: electronenrijke omgevingen (afgeschermd) resoneren bij lagere frequentie; electronenarme omgevingen (deshielded) bij hogere frequentie. Dit verschil wordt uitgedrukt als de chemische verschuiving δ in ppm ten opzichte van een referentiestof (TMS voor ¹H en ¹³C, 85 % fosforzuur voor ²¹P). De chemische verschuiving is onafhankelijk van de veldsterkte van de magneet en daarmee universeel vergelijkbaar tussen instrumenten.
Typische ¹H-verschuivingen: methylgroepen (0,9 ppm), methyleengroepen (1,2–1,5 ppm), aromatische H (7–8 ppm), aldehyde-H (9–10 ppm), carbonzuur-OH (10–12 ppm).
Naburige magnetisch actieve kernen beïnvloeden elkaars resonantiefrequentie via scalaire koppeling (J-koppeling). Dit leidt tot splitsing van NMR-signalen in meervoudige componenten (doublet, triplet, multiplet). De kopplingsconstante J (in Hz) is onafhankelijk van de veldsterkte en geeft informatie over de ruimtelijke relatie tussen kernen. Via de Karplus-vergelijking kan de dihedrale hoek tussen protonen worden afgeleid uit ³J-kopplingsconstanten.
De veldsterkte van een NMR-spectrometer wordt uitgedrukt in MHz (resonantiefrequentie van ¹H). Gangbare instrumenten zijn 300 MHz (7,0 T), 400 MHz (9,4 T), 500 MHz (11,7 T) en 600 MHz (14,1 T). Hogere veldsterkte geeft betere dispersie van signalen (betere resolutie) en hogere gevoeligheid. Superconductende magneten worden gekoeld met vloeibaar helium (4 K) en vloeibaar stikstof (77 K). Benchtop-NMR-instrumenten (60–80 MHz, permanente magneet) zijn beschikbaar voor routinecontrole en onderwijs zonder cryogene koeling.
NMR-monsters worden opgelost in deuterium-gesubstitueerde oplosmiddelen om het proton-achtergrond-signaal te elimineren. Gangbare deuterium-oplosmiddelen zijn:
Eén-dimensionale ¹H- en ¹³C-NMR geven basisinformatie. Twee-dimensionale technieken correleren twee frequentie-assen en geven connectiviteitsinformatie:
NMR is de primaire methode voor de bevestiging van de structuur van gesynthetiseerde verbindingen. In combinatie met massa-spectrometrie (MS) en IR vormt NMR de complete analytische trilogie voor structuuridentificatie van onbekende verbindingen.
Structuurbevestiging van API’s conform Ph.Eur. en ICH-richtlijnen, zuiverheidscontrole via kwantitatieve NMR (qNMR, met interne standaard), metabolietenidentificatie in ADME-studies, en conformatieonderzoek van biologische macromoleculen (antilichamen, RNA-therapeutica).
Herkomstbepaling van honing, olijfolie en wijn via NMR-profilometry in combinatie met chemometrie is een erkende methode voor authenticiteitscontrole (EUREF NMR-database). Vochtgehalte, vetsamenstelling en additievenscreening in verwerkte levensmiddelen.
Tacticiteitsbepaling (isotactisch, syndiotactisch, atactisch) van polyolefinen en acrylaten via ¹H of ¹³C-NMR, copolymeersamenstelling, eindgroepbepaling bij laagmoleculaire oligomeren en blocklengtekarakterisering.
Voor functionele-groepsanalyse zonder uitgebreide voorbereiding is FTIR-spectroscopie een sneller alternatief. Concentratiebepaling van verbindingen in oplossing gaat eenvoudiger via UV/Vis-spectrofotometrie. Elementanalyse voor metalen in monsters wordt uitgevoerd via AAS of ICP-MS/ICP-OES.
Voor een standaard ¹H-NMR op een 300–400 MHz instrument is typisch 5–20 mg monster voldoende opgelost in 0,6 ml deuterium-oplosmiddel. Voor ¹³C-NMR is meer materiaal nodig (20–50 mg) of een langere meettijd vanwege de lage natuurlijke abundantie van ¹³C (1,1 %). Cryoprobes verlagen de detectiegrens aanzienlijk en zijn geschikt voor sub-milligram hoeveelheden.
Bij qNMR wordt de integraalverhouding van NMR-pieken gebruikt voor absolute kwantificering zonder externe kalibratie, door toevoeging van een bekende hoeveelheid interne standaard (bijv. dimethylsulfon, maleïnezuur). qNMR geeft gehaltebepalingen met een onzekerheid van 0,5–1,0 % en is erkend door Ph.Eur. (hoofdstuk 2.2.64) als alternatief voor titratie en HPLC voor primaire standaardisatie.
NMR (Nuclear Magnetic Resonance) en MRI (Magnetic Resonance Imaging) zijn gebaseerd op hetzelfde fysische principe — de resonantie van atoomkernen in een sterk magneetveld — maar dienen een fundamenteel ander doel:
De term MRI werd in de jaren tachtig ingevoerd als patiëntvriendelijker alternatief voor "NMR-beeldvorming". In medische context wordt nooit over NMR gesproken; in analytisch-chemische context nooit over MRI. De fysica is in beide gevallen identiek: uitlijning van ¹H-kernen in een magneetveld, excitatie met een RF-puls en meting van het relaxatiesignaal.
Deze pagina is onderdeel van de Labvakhandel kennisbank. Canidae Seal B.V. / Labvakhandel.nl is niet aansprakelijk voor de toepassing van deze informatie in specifieke analytische situaties.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
