Resonanzen an der Fakultät für Chemie: 10 Jahre Core Facility NMR-Zentrum

07.07.2021

Die magnetische Kernresonanz (NMR) ist für viele Bereiche der Chemie von großer Bedeutung, da sie die leistungsstärkste Methode zur Aufklärung von Molekülstrukturen darstellt. Seit einer Dekade betreibt die Fakultät für Chemie der Universität Wien ein NMR-Zentrum als Core Facility. Ein Gastbeitrag des Leitungsteams des Zentrums anlässlich dieses 10-Jahre-Jubiläums.

Von Hanspeter Kählig, Dennis Kurzbach und Mathea Sophia Galanski

Als Resonanz versteht sich weitläufig ein Mitschwingen von z.B. Tönen, Gegenständen oder Meinungen. An der Fakultät für Chemie wird dies auf besondere Art und Weise ausgenutzt, indem man Magnete zum Mitschwingen bewegt. Dabei handelt es sich aber nicht um irgendwelche Magnete, sondern um jene, die in Atomkernen enthalten sind. Diese können durch Anlegen starker Magnetfelder auch zum Mitschwingen motiviert werden. Das Resultat: die sogenannte magnetische Kernresonanz (nuclear magnetic resonance, kurz: NMR).

NMR ist für viele Bereiche der Chemie von großer Bedeutung, da sie die leistungsstärkste Methode zur Aufklärung von Molekülstrukturen darstellt. Die Fakultät für Chemie hat deshalb ein spezielles NMR-Zentrum geschaffen, das heuer seinen 10-jährigen Geburtstag feiert. Die NMR Core Facility versorgt die gesamte Fakultät und darüber hinaus viele Kooperationspartner mit brandaktuellen Methoden zur Bestimmung der Molekülstrukturen, die in der Chemie und Biologie erforscht und hergestellt werden.

Start 2011

War der Start 2011 vorerst nur auf dem Papier, indem formal die beiden damaligen NMR-Standorte Anorganische Chemie und Organische Chemie zusammengelegt wurden, nahm die Geschichte der Core-Facility sehr rasant an Fahrt auf.

Im Jahr 2013 wurde das erste Hochschulraumstrukturmittel-Projekt eingereicht und bewilligt. Mit diesem Budget wurden nicht nur ein neues 700 MHz NMR-Spektrometer mit einem Helium gekühlten Kryoprobenkopf und zwei weitere Stickstoff gekühlte Probenköpfe für bestehende Spektrometer angeschafft. Mit tatkräftiger Unterstützung der Fakultät und des Dekans Bernhard Keppler konnte im Erdgeschoss im Haus 2 (Währinger Straße 42) die bauliche Umsetzung zu einem echten Zentrum realisiert werden.

Die Fertigstellung und Übersiedelung erfolgte in zwei Etappen, der erste Spektrometerraum wurde Ende 2014 bezogen, der zweite Spektrometerraum, das Büro für die Chemotechniker*innen und das Vorbereitungslabor standen Mitte 2015 zur Verfügung.

Standort von nationaler Bedeutung

Die Entwicklung und methodische Erweiterung des NMR-Zentrums ging 2017 weiter, abermals konnte ein Hochschulraumstrukturmittel-Projekt erfolgreich eingeworben werden. Es wurde ein sehr leistungsfähiges Festkörper-NMR-Spektrometer angeschafft und die Radiofrequenzelektronik von zwei bestehenden Spektrometern erneuert.

Mit der Anstellung von Dennis Kurzbach auf eine Tenure Track-Professor am Institut für Biologische Chemie Anfang 2019 begann eine weitere Aufstockung: Die fakultätseigene NMR Core Facility wurde zu Österreichs einzigem Anlaufpunkt, der alle derzeit möglichen Arten der Magnetresonanzmessungen integriert.

Neuer Ansatz sorgt für imposante Signalverstärkung

Das bedeutet zum einen, dass nicht nur Atomkerne, sondern auch Atomhüllen mittels der sogenannten Elektronenspinresonanz (electron paramagnetic resonance, kurz: EPR) analysiert werden können. Zum anderen ist das Besondere nun, dass NMR und EPR kombiniert in der Prototypmethode der sogenannten dissolution dynamic nuclear polarization (DDNP) eingesetzt werden können.

Dabei werden die Signale der Atome bis zu 10.000-fach verstärkt, was völlig neue Arten der Forschung ermöglicht. Messungen die zuvor Tage dauerten, können in Millisekunden durchgeführt werden. Wir sind dadurch in der Lage, noch genauer in den Aufbau der Materie hinein zu zoomen. So kann zum Beispiel der Stoffwechsel einzelner Bakterien in Echtzeit verfolgt werden.

Neben der DDNP Infrastruktur (gefördert über einen ERC Grant) bedingte diese methodische Erweiterung neue Investitionen. Die Adaptierung eines zusätzlichen Spektrometerraums und eines Elektroniklabors sowie die Anschaffung eines neuen 600 MHz NMR-Spektrometers wurde über die Fakultät, das Rektorat und den Europäischen Forschungsrat finanziert.

Fuhrpark an Hochleistungs-Spektrometer

Verbunden mit einer Neuberufung am Institut für organische Chemie ergab sich schließlich die letzte apparative Erweiterung: 2020 während des COVID-19 Lockdowns wurde ein neues 400 MHz Spektrometer installiert.

Derzeit beherbergt das NMR-Zentrum insgesamt neun NMR-Spektrometer, die sowohl Flüssigkeiten als auch feste Materialien analysieren können. Dank der bei jeder Neuanschaffung ebenfalls getätigten Investitionen in die Modernisierung der Bestandsgeräte sind alle Spektrometer auf dem neusten Stand der Technik. Vier Geräte sind mit Kryoprobenköpfen für höchste Empfindlichkeit ausgestattet, sechs Geräte bieten die Möglichkeit der parallelen Detektion auf zwei bis vier unterschiedlichen Frequenzkanälen, und sieben Geräte sind vollautomationsfähig, fünf davon mit den neuesten Probenwechslern am Markt.

50.000 Einzelexperimente pro Jahr

Dank dieser Ausstattung werden pro Jahr an die 50.000 Einzelexperimente durchgeführt - von sehr einfachen schnellen Messungen bis zu hochkomplexen Strukturanalysen, die Tage dauern können. Ein sechsköpfiges Team sorgt dabei für einen reibungslosen Ablauf in der Core Facility. Wir führen Servicemessungen durch und bieten Projektunterstützung an, wo immer NMR zum Einsatz kommt. Weiters stellen wir Möglichkeiten für schnelle Untersuchungen zur Verfügung, dazu sind drei NMR-Spektrometer exklusiv für den Selbstmessbetrieb für derzeit etwa 80 Personen reserviert.

Weitläufige Resonanzen

Mit dieser apparativen Ausstattung und dieser Methodenvielfalt erfreuen sich die Forscher*innen des NMR-Zentrums nun weitläufiger Resonanz, auch von der Wissenschaftsgemeinschaft, nicht nur von Atomen oder Elektronen. Es bestehen zahlreiche Kooperationen innerhalb unserer Fakultät, mit anderen Fakultäten, mit anderen Universitäten in Österreich und international, u.a. mit der Sorbonne in Paris (Frankreich) oder dem renommierten Weizmann Institut in Rehovot (Israel).

Die zehn Jahre NMR-Zentrum waren begleitet von vielen Neuberufungen, Schaffung von Tenure Track-Positionen und Etablierung von neuen Forschungsfeldern an der Fakultät für Chemie. Dementsprechend hat sich der Aufgabenbereich in der Core Facility sehr stark weiterentwickelt, ein Prozess, der nicht abgeschlossen ist. Wir können daher in Zukunft sehr spannenden neuen Forschungsthemen entgegenblicken, die wir mit unserer Expertise sehr gerne begleiten werden.

Zwei NMR-Spektrometer im Kryo- / Hochfeld-NMR-Labor (© NMR-Zentrum)
Das Prototypen DDNP System im NMR Zentrum der Fakultät für Chemie ist einzigartig in Österreich. (© NMR-Zentrum)
Zwei NMR-Spektrometer im open access Bereich (© NMR-Zentrum)
Management des NMR-Zentrums v.l.n.r.: Mathea Sophia Galanski, Hanspeter Kählig und Dennis Kurzbach (© Fakultät für Chemie)