Räumlich-selektive NMR Spektroskopie

Die NMR Spektroskopie ist vermutlich die am öftesten benutzte Methode zur Strukturaufklärung von kleinen bis mittelgroßen organischen und biologischen Molekülen. Aufgrund seiner hohen Sensitivität und weiten Verbreitung wird am häufigsten der Kern des Wasserstoffs 1H (das Proton) vermessen. Im Gegensatz zu seiner hohen Sensitivität ist jedoch die Auflösung der Protonen NMR ziemlich schlecht. Das stammt zum Teil vom geringen chemischen Verschiebungsbereich (~ 10 ppm) aber auch von den starken Signalaufspaltungen aufgrund der skalaren Kopplung zu benachbarten Protonen. Die pure- shift NMR (durch homonukleare Breitbandentkopplung) wurde als Verfahren zur signifikanten Verbesserung der Auflösung von Protonen NMR Spektren beschrieben. Diese Methode führt zu Protonenspektren in welchen nur Singlets zu sehen sind, vergleichbar mit protonen-entkoppelten C-13 Spektren. Die gewonnene Auflösung entspricht der von gewöhnlichen 1H Spektren welche bei mehreren GHz zu erhalten wären. Wir haben in der Vergangenheit gezeigt dass es möglich ist homonuklear breitbandentkoppelte NMR Spektren durch eine Kombination von frequenz- und räumlich-selektiven Pulsen zu erhalten. Diese Methode, welche inzwischen auch Zangger-Sterk Methode genannt wird kann auch während der Datenaufnahme, also in Echtzeit erfolgen. Die erhaltenen Spektren sind jedoch deutlich verrauschter als normale Spektren und es ist natürlich jegliche Information über skalare Kopplung verloren. Im Zuge dieses Projektes werden wir mehrere Techniken etablieren welche darauf abzielen: die Artefakte in homonuklear entkoppelten Spektren zu reduzieren; Informationen über skalare Kopplungen aus teil-entkoppelten Spektren mit höherer Auflösung zu erhalten; und die Geschwindigkeit der Datenaufnahme zu erhöhen. Der Großteil der vorgeschlagenen Methoden benutzt raum- und frequenzselektive Pulse. Durch diese Anregung werden unterschiedliche Signale in unterschiedlichen Bereichen des NMR Röhrchens angeregt. Das ermöglicht es ein homonukleares System in ein räumlich aufgelöstes pseudo heteronukleares Ensemble überzuführen. Dadurch können heteronukleare NMR Methoden auf homonukleare Spinsysteme angewendet werden.

Die NMR Spektroskopie stellt eine der wichtigsten Analysenmethoden zur Bestimmung der Strukturen von organischen und Biomolekülen dar. Aufgrund der weiten Verbreitung und hohen Sensitivität werden meistens Wasserstoffkerne (Protonen) in der NMR Spektroskopie verwendet. Die Auflösung der Protonen NMR ist jedoch ziemlich limitiert. Die Ursache dafür ist zu einem großen Teil die Signalfeinstruktur, bedingt durch skalare Kopplung zwischen benachbarten Wasserstoffkernen. Die pure shift NMR hat nun zum Ziel diese Signalaufspaltung zu beseitigen um die Auflösung von Wasserstoffspektren zu erhöhen. Eine oft verwendet pure shift Methode ist die räumlich-selektive Entkopplung (in der Literatur als Zangger-Sterk Methode bekannt), welche von uns entwickelt wurde. Im Zuge dieses Projektes verbesserten wir diese Methode um die oft recht starken Artefakte zu unterdrücken und die Sensitivität zu erhöhen, welche deutlich unter der von konventionellen NMR Spektren liegt. Die skalare Kopplung, welche in pure shift Spektren komplett ausgeschaltet ist, beinhaltet jedoch wichtige Informationen. Aus diesem Grunde entwickelten wir auch eine Methode mit der homonukleare Kopplungen während der Aufnahme nicht komplett beseitigt sondern nur verringert werden. Das erhöht die Auflösung der chemischen Verschiebung, aber ermöglicht noch immer die Untersuchung der skalaren Kopplung. Oft sind es aber genau die Kopplungen die mit hoher Auflösung bestimmt werden sollten. Eine in diesem Projekt entwickelte Technik erlaubt genau das- das Echtzeit J-upscaling. Damit werden während der NMR Datenaufnahme sämtliche homonuklearen Kopplungen um den selben Wert erhöht. Das verbessert die Auflösung der strukturrelevanten Kopplung da andere Phänomene, wie Signalverbreiterungen durch Magnetfeldinhomogenitäten nicht verstärkt werden. Dadurch ist es möglich Kopplungskonstanten zu messen die in herkömmlichen Spektren in der Linienbreite verborgen, also unsichtbar sind. Durch die in diesem Projekt verbesserten oder neu entwickelten Methoden ist es nun möglich NMR Spektren mit höherer Auflösung sowohl in Hinblick auf Signalfrequenzen (die chemische Verschiebung) also auch bezüglich der Signalfeinstruktur (der skalaren Kopplung) zu erhalten. Derartige Spektren sind nicht nur hilfreich um organische Moleküle strukturell genauer zu charakterisieren, sondern werden aktuell auch verwendet um die NMR Spektren von Proteinliganden qualitativ zu verbessern. Dies sollte die Auflösung der Strukturen von proteingebundenen Substanzen verbessen um sie zum Beispiel für strukturbasierte Wirkstoffforschung zu verwenden.