Intelligente Systeme für automatisierte NMR-Analyse komplexer Mischungen (autoNMR)

• Antragstellerinnen: Professorin Dr. Yulia Monakhova; Professorin Dr. Margit Schulze
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563667755

Die quantitative NMR (qNMR) ist ein etabliertes Verfahren zur Bestimmung der Reinheit chemischer Verbindungen und der Konzentrationen mehrerer Verbindungen in komplexen Mischungen. Neben den experimentellen Voraussetzungen für hochpräzise qNMR (hohe Signal-Rausch-Verhältnisse (SNR), ausreichende Relaxationsverzögerungen, gute Signaldigitalisierung) sind eine genaue Vorverarbeitung und Integration entscheidend. Geringste Fehler sind zu erwarten, wenn Spektren von routinierten NMR-Spektroskopikern verarbeitet werden. Bestehende automatisierte Routinen für die Spektralverarbeitung sind bislang nicht in der Lage, die Vorverarbeitungs- und Integrationsschritte sowie das Vorhandensein von Verunreinigungen im Integralbereich zu überprüfen und erfordern Referenzdatenbanken für die Spektralprofilierung. Mit zunehmender Molekülgröße und Anzahl der Verbindungen in Mischungen erschwert die spektrale Überlappung in der 1H-NMR sogar Dekonvolutionstechniken. In unserem Projekt wird dieses Problem überwunden, indem auf andere NMR-aktive Kerne wie 19F oder auf mehrdimensionale NMR (heteronuclear single quantum coherence, HSQC) umgestiegen wird. Selbst bei Verwendung dieser experimentellen Techniken sind z.T. multivariate/machine learning Methoden erforderlich, um überlappende 1D- und 2D-NMR-Profile mathematisch aufzulösen. Im Rahmen dieses Projekts werden intelligente Systeme für die automatisierte Spektralverarbeitung von 1H-, 19F- und HSQC-NMR-Daten für basisliniengetrennte sowie überlappende Peaks entwickelt. Die Routinen sind leicht implementierbar, schnell und robust, wenn sie unter den Bedingungen ausgeführt werden, die komplexe Gemische auszeichnen (niedriges SNR, überlappende Peaks, Artefakte). Das Projekt wird vom Industriepartner Spectral Service AG unterstützt, insbesondere bei Hochfeld-NMR-Experimenten einschließlich theoretischer und praktischer Expertise in 1D- und 2D-qNMR. Der Industriepartner hat (wie viele andere NMR-Labore) große NMR-Datenmengen angesammelt. Forschern ist möglicherweise nicht bewusst, dass diese Daten bei richtiger Auswertung neue wertvolle und präzisere Informationen über analysierte Proben liefern oder zur Automatisierung des Analyse-Workflows verwendet werden können. Diese Möglichkeit wird für die retrospektive Analyse eines Datensatzes (>300 Proben) von 19F qNMR-Spektren untersucht, die zur routinemäßigen Reinheitsbestimmung von Wirkstoffen (active pharmaceutical ingredients, API) verwendet werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Hochfeld-NMR-Spektrometern auf Basis supraleitender Magnete wurden kleine Permanentmagnete entwickelt, die den Bau von Benchtop-Geräten ermöglichten. Im Projekt werden 1H-, 19F- und 2D-HSQC-NMR-Niederfelddaten modelliert. Untersucht werden APIs mit niedrigem und hohem Molekulargewicht und kommerzielle Arzneimittel. Die Ergebnisse werden dazu beitragen, die Anwendbarkeit von Benchtop-NMR-Instrumenten für anspruchsvolle analytische Aufgaben zu bewerten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: Spectral Service AG