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Ziele und Schwerpunkte

Die vorliegende Arbeit wurde an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in der Abteilung I „Analytische Chemie; Referenzmaterialien“ im Labor I.31 „Magne­tische Resonanzspektroskopie“ (Projekt 0103-I-0029) durchgeführt. Das Thema dieser Arbeit entspricht dem Kompetenzbereich der Abteilung „Entwicklung, Bereitstellung und Be­wertung zuverlässiger Referenzmaterialien und -verfahren in der Analytischen Chemie“. Die BAM hat als ein Nationales Metrologieinstitut Deutschlands die Aufgabe, durch Beteiligung an internationalen Studien und „Key-Comparisons“ die internationale Vergleichbarkeit der nationalen Rückführungssysteme für die SI-Einheit in der Chemie (hier: das Mol) mit geeigneten Methoden oder Verfahren zu gewährleisten.

Die Arbeit verfolgt die beiden Ziele, die hochauflösende Flüssigkeits-NMR-Spektroskopie als eine relative primäre Methode zu etablieren, und darauf aufbauend, sie als Referenzver­fahren zur Validierung anderer Methoden und zur Zertifizierung von Referenzmaterialien einzusetzen. Dafür werden zur optimalen Bearbeitung Stoffsysteme mit einfachen, linienar­men Spektren untersucht, die sich an den aktuellen Aufgaben des CCQM orientieren.

Entsprechend der für das CCQM formulierten Definition einer primären Methode [12] bilden

  1. das Aufstellen von Messgleichungen,
  2. das Beschreiben der Methode/Verfahren mit allen physikalischen Parametern entsprechend der Messgleichungen,
  3. das Aufstellen von Unsicherheitsbudgets und
  4. die Bestimmung der metrologischen Qualität

für vier zu betrachtende Anwendungen der quantitativen NMR (Bestimmung von Stoff­mengenverhältnissen und -anteilen sowie Reinheits- und Gehaltsanalyse) die Schwerpunkte dieser Arbeit. Der Begriff metrologische Qualität beschreibt die geringste erreichbare Messunsicherheit, ein dem Messergebnis zugeordneter Parameter, der die Streuung der Werte kennzeichnet, die vernünftigerweise der Messgröße zugeordnet werden könnte (Definition aus dem internationalen Wörterverzeichnis der Metrologie (VIM [13]).

Zur Bearbeitung der ersten beiden Schwerpunkte werden, bei der Bestimmung von Stoff­mengenverhältnissen und -anteilen mit der 1H-Single-Pulse-NMR beginnend, die Messglei­chungen aufgestellt und – aufbauend auf der eigenen Diplomarbeit [14] – systematisch alle physikalischen Parameter und Einflussgrößen entsprechend der Messgleichung in weiten Bereichen variiert und ihre Auswirkungen sowie der Einfluss des Operators auf die Messunsicherheit quantifiziert. Diese Erkenntnisse werden für die Validierung der Verfahren zur Reinheits- und Gehaltsbestimmung übernommen und entsprechend der Messgleichung erweitert. Für die Absicherung der Analysenergebnisse sind qualitätssichernde Maßnahmen erforderlich. Es wird damit begonnen, ein System von NMR Referenzmaterialien (Standards) zu entwickeln, die der Forderung nach metrologischer Rückführung genügen. Um Spezial­[Seite 3↓]effekte zu identifizieren und ihren Einfluss auf Messergebnisse zu quantifizieren (Filterfunk­tionen, Radiation Damping) sind Messungen an der Humboldt-Universität zu Berlin (HUB) und bei der Firma Bruker BioSpin GmbH nötig. Des Weiteren wird der quantitative Einsatz modernster NMR-Technik (18,8T Höchstfeldgerät und Kryo-Messkopf) getestet und bewer­tet. Für die Reinheitsbestimmung von Xylolen und Tributylzinnchlorid soll die 1H-entkoppelte 13C-NMR validiert und für die Gehaltsbestimmung von Ethanollösungen im forensischen Bereich (ca. 0,1 % Ethanol in Wasser) das Prinzip der 1H-Wasserunterdrückung für quantitative NMR erstmalig entwickelt werden. Alle diese Untersuchungen sind wissenschaftliches Neuland für die quantitative NMR-Spektroskopie.

Daran anschließend sollen erstmals für alle Anwendungen der quantitativen hochauflösen­den Flüssigkeits-NMR entsprechend den Messgleichungen die vollständigen Unsicherheits­budgets aufgestellt werden. Diese werden nach dem allgemeingültigen und weltweit anerkannten Leitfaden zur Ermittlung von Messunsicherheiten erarbeitet, der von der „International Organization for Standards (ISO)“ veröffentlicht wurde.

Mittels ausgearbeiteter und stufenweise verbesserten Arbeitsanweisungen werden nationale (Teilnehmer: Industrie, Hochschulen, Forschungsinstitute) und internationale Ringversuche (Teilnehmer: Nationale Metrologieinstitute) durchgeführt, um kompetente Aussagen für die Güte der in dieser Arbeit behandelten Verfahren (Stoffmengenverhältnisse und –anteile, Reinheitsbestimmung und Gehaltsbestimmung) zu treffen. Auf höchstem metrologischen Niveau wird durch die Beteilung an internationalen CCQM-Ringversuchen die Messunsicher­heit der quantitativen NMR-Spektroskopie mit denen anderer analytischer Verfahren verglichen und bewertet.

Im Verlauf dieser Arbeit werden alle auftretenden Probleme untersucht und zu deren Lösung Arbeitsanweisungen für die praktische Laborarbeit erarbeitet. Damit soll, dem Multiplikator-Prinzip entsprechend, Prinzip und Prozedur metrologischer Rückführung an nationale und internationale NMR-Forschungsinstitutionen weitergegeben werden.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Verallgemeinerung der in der vorliegenden Arbeit erar­beiteten Verfahren mit der quantitativen NMR-Spektroskopie, um sie als Referenzverfahren zu etablieren. Dazu werden die gewonnenen Ergebnisse kritisch diskutiert und bewertet, um allgemeine Schlussfolgerungen zur Anwendbarkeit auch für komplexere Einsatzgebiete (Pharmazie, Biochemie, etc.) zu ziehen. Hierzu sind die Randbedingungen für die Prüfbereiche, die Ergebnisunsicherheiten in diesen Prüfbereichen und die genauen Einsatzgebiete zu diskutieren und festzulegen.


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24.02.2005