Entwicklung und Anwendung neuartiger Parawasserstoff basierter NMR Techniken

• Antragsteller: Professor Dr. Gerd Buntkowsky
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405811162

Parawasserstoff ist eine der effizientesten Quellen zur Erzeugung von Hyperpolarisation für die Empfindlichkeitsverbesserung der kernmagnetischen Resonanz (NMR und MRT) über PHIP oder SABRE. Diese Verfahren ermöglichen eine Steigerung der NMR Signale um mehrere Größenordnungen. Die Erzeugung von PHIP oder SABRE Hyperpolarisation ist ein komplexes Wechselspiel aus Spindynamik und chemischer Kinetik, das quantitativ noch nicht vollständig verstanden ist. Diese Wissenslücke ist eine ernsthafte Behinderung bei der Anwendung von PHIP oder SABRE in der strukturellen oder quantitativen Analytik. Das erste Ziel des Forschungsprojektes ist deshalb eine detaillierte Analyse des Prozesses der PHIP und SABRE Bildung im Allgemeinen und insbesondere eine eingehende Untersuchung der Rolle von para-ortho-Umwandlungen in diesem Prozess, da diese den möglichen Empfindlichkeitsgewinn stark reduzieren können. Basierend auf dieser Analyse wird eine erweiterte theoretische Beschreibung des Prozesses entwickelt, implementiert und durch Experimente an Modellverbindungen experimentell validiert. Parallel dazu sollen robuste und effiziente Techniken zur Umwandlung der PHIP-Hyperpolarisation in Netto-Magnetisierung entwickelt werden, die die Voraussetzung für die Entwicklung effizienter PHIP-Protokolle ist. Aufbauend auf der Netto-Magnetisierung wollen wir (i) ultraschnelle PHIP- oder SABRE-verstärkte 2D-NOESY- und 2D-TOCSY-Protokolle, die ein vollständiges 2D-NMR-Spektrum für die Strukturanalyse in einem einzigen Scan mit beispielloser Empfindlichkeit aufnehmen können; (ii) robuste Techniken für die Übertragung der Hyperpolarisation von den Protonen auf die Heterokerne für 1D- und 2D-NMR; (iii) neue und verbesserte Techniken für SABRE bei hoher Feldstärke, d. h. ohne Notwendigkeit von Feldzyklisierung, und (iv) experimentelle Protokolle für die Erhaltung der erzeugten Hyperpolarisation über langlebige Spinzustände in speziell entwickelten PHIP-Markern, entwickeln. Parallel dazu wollen wir unsere Arbeit am PANEL-Experiment, mit dem transiente Wasserstoff-Katalysator-Komplexe ultrasensitiv nachgewiesen werden können, fortsetzen und auf eine Reihe von PHIP und SABRE aktiven Katalysatoren anwenden. Anfänglich werden alle diese Techniken im Fall von PHIP an kleinen Modellmolekülen mit einer ungesättigten Bindung und im Fall von SABRE an einfachen Pyridinderivaten entwickelt. Später werden wir diese Techniken unter Verwendung von Oligopeptiden, die PHIP- oder SABRE-aktive Gruppen in der Seitenkette, dem Rückgrat oder am N-Terminus enthalten, validieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Science Foundation
• Kooperationspartner: Professor Dr. Konstantin Ivanov