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Erhöhung der Empfindlichkeit von biomolekularen MAS NMR durch neue Dynamische Kernspinpolarisation Methoden

Antragstellerin Dr. Guinevere Mathies
Fachliche Zuordnung Analytische Chemie
Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
Förderung Förderung von 2017 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 321027114
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Kernspinresonanz (englisch: nuclear magnetic resonance oder NMR) mit Probenrotation um den magischen Winkel (english: magic angle spinning oder MAS) ist eine äußerst informative spektroskopische Technik für jeden, der eine Frage zu einem chemischen System im Festkörper hat. MAS NMR erforscht Struktur und Dynamik auf atomarer Ebene, oft in Situationen, in denen andere Techniken versagen. Die MAS NMR ist jedoch nicht sehr empfindlich, was die praktische Anwendung beschränkt. Die dynamische Kernpolarisation ist ein wirksames Mittel, um die Empfindlichkeit der MAS NMR zu erhöhen. Bei DNP wird die relativ reichliche Magnetisierung von ungepaarten Elektronenspins mittels Mikrowellenbestrahlung auf Kernspins übertragen. Derzeit wird diese Mikrowellenbestrahlung immer kontinuierlich und mit der höchstmöglichen Leistung angewendet. Während diese Strategie ohne Frage die Vielseitigkeit und Wirkung der MAS NMR erhöht hat, hat sie auch klare Grenzen. Diese sind vor allem bei der Untersuchung komplexer Biomoleküle zu spüren, die neben der Empfindlichkeit auch eine sehr hohe Auflösung und folglich eine MAS NMR bei einem sehr hohen Magnetfeld erfordern. In diesem Projekt wollten wir diese Einschränkungen durch die Entwicklung neuer DNP- Methoden angehen. Konkret schlugen wir vor, Mikrowellenbefeldung in Form einer Pulssequenz statt kontinuierlich anzuwenden. Mikrowellenquellen zur Erzeugung dieser Pulssequenzen existierten (und existieren) nicht bei Frequenzen, die mit hochauflösender MAS-NMR kompatibel sind, mit Ausnahme einiger Prototypen. Wir waren der Meinung, dass es dennoch wichtig wäre, mit der Erforschung von gepulstem DNP zu beginnen, vorerst bei niedrigem Magnetfeld. Im Laufe des Projekts haben wir Messgeräte für gepulste DNP bei 0,34 T und bei 1,2 T aufgebaut. Wir haben erfolgreich Pulssequenzen, analytische Theorie und numerische Simulationen entwickelt. Wir haben sogar Mikrowelleningenieure engagiert und die ersten Testexperimente wurden bei 3,4 T durchgeführt. Darüber hinaus ist die Planung und der Bau einer Quelle bei 9,4 T im Gange. Die Magnetisierungsübertragung von Elektronenspins auf Kernspins kann als ein Problem der optimalen Steuerung angesehen werden, was ein mathematisches Argument dafür liefert, warum gepulstes DNP effizienter sein muss als DNP mit kontinuierlicher Welle. Die optimale DNP Pulssequenz haben wir noch nicht gefunden, aber wir haben einen Grundstein für weitere Untersuchungen gelegt. Die zusätzliche Flexibilität von gepulstem DNP sollte es ermöglichen, die Mikrowellenanregung auf ein vorliegendes Problem zuzuschneiden. Sobald das gepulste MAS DNP ausgewachsen ist, wird es daher sehr wahrscheinlich neue Einblicke in bisher unerforschte heterogene Materialien und komplexe Biomoleküle liefern. Um zu veranschaulichen, was heute mit der Standard-MAS-NMR-Spektroskopie, d.h. ohne DNP, möglich ist, stellen wir zwei Fallbeispielen vor.

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