Nuclear Magnetic Resonance
Isu nuklir Iran akhir-akhir ini banyak mengisi pemberitaan media masa. Negara yang sangat disibukkan oleh isu ini adalah Amerika serikat. Amerika menuduh program nuklir Iran adalah untuk persenjataan. Iran selalu menyangkal tuduhan tersebut, Iran mengatakan bahwa program nuklirnya adalah untuk memproduksi energi listrik. Isu-isu ini selalu saja muncul karena ketakutan akan dahsyatnya senjata nuklir yang dapat menimbulkan kerusakan yang luar biasa. Pemberitaan-pemberitaan seperti ini telah menggiring perhatian masyarakat akan bahaya nuklir. Namun demikian, penelitian tentang nuklir terus berkembang dengan pesat hingga saat ini, mengingat nuklir juga memiliki manfaat yang besar bagi kita. Salah satunya adalah penemuan tentang nulear magnetic resonance (NMR).
NMR adalah fenomena dimana inti atom dapat menyerap gelombang elektromagnetik pada frekuensi tertentu. NMR ini adalah hasil penelitian yang dilakukan secara independent oleh dua fisikawan asal Amerika Serikat, Felix Bloch dan Edward Mills Purcell pada tahun 1946, sehingga keduanya meraih hadiah Nobel pada tahun 1952. Dari penelitian-penelitian tentang nuklir, diketahui bahwa inti atom memiliki momen magnetik, sehingga inti bisa dipengaruhi oleh medan magnet. Peristiwa penyerapan gelombang elektromagnetik oleh inti terjadi ketika inti atom diletakkan dalam medan magnet luar, kemudian diberi radiasi dengan gelombang elektromagnetik. Penyerapan gelombang ini mengakibatkan pergeseran tingkat energi pada inti atom, selanjutnya ketika inti atom kembali ke keadaan awalnya, inti akan memancarkan gelombang elektromagnet dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi gelombang elektromagnet yang diserap. Frekuensi inilah yang kemudian diolah melalui proses komputerisasi dan menghasilkan informasi dalam bentuk gambar atau data. NMR sangat berguna dalam berbagai bidang. Dalam bidang kimia, spektroskopi NMR dapat menghasilkan spektrum secara detail dari struktur kimia suatu molekul. spektroskopi NMR telah menjadi alat yang paling efektif untuk menentukan struktur semua jenis senyawa. Dalam dunia kedokteran, scan menggunakan NMR, yang dalam keperluan ini disebut Magnetic Resonance Imaging (MRI), dapat menghasilkan kualitas gambar yang lebih baik dari pada menggunakan CT scan, terutama untuk scan otak dan tulang belakang. Penggunaan MRI lebih aman dibandingkan CT scan, karena hanya menggunakan medan magnet kuat dan radiasi tidak mengion dalam jangkauan frekuensi radio. Keuntungan lainnya scan menggunakan MRI adalah dapat membuat potongan gambar melintang, tegak, dan miring tanpa merubah posisi pasien. Walaupun pada beberapa kasus, seperti orang sakit yang membawa serpihan logam (misal serpihan peluru), scan menggunakan MRI tidak dapat dilakukan.
Frekuensi resonansi yang digunakan biasanya bersesuaian dengan frekuensi radio untuk medan magnet sampai dengan 20 T. Tentu saja energi yang bersesuaian dengan frekuensi tersebut jauh lebih kecil dibandingkan dengan energi sinar sinar–X, sehingga ini jauh lebih menguntungkan dalam penerapan di dunia kedokteran.
Apa yang melatarbelakangi NMR spectroscopy?
Yang melatarbelakangi spektroskopi NMR adalah inti-inti atom (nuclear).
Penjelasan:
Inti-inti atom unsur-unsur dikelompokkan sebagi mempunyai spin atau tidak mempunyai spin. Suatu inti berspin akan menimbulkan medan magnet kecil, yang diberikan oleh suatu momen magnet nuklir, suatu vector.
Menurut para ahli kimia organik, nuklida penting yang mempunyai spin inti ialah 1H dan 13C. Sama pentingnya ialah fakta bahwa isotop karbon dan oksigen yang paling lazim (12C dan 16O) tidak mempunyai spin.
Nuklida-nuklida yang mempunyai spin dapat dimanfaatkan dalam spektroskopi NMR, mereka menyerap energi tidak pada radiofrekuensi yang sama.
Dalam spektroskopi NMR, suatu medan magnet luar diciptakan oleh suatu magnet tapal kuda permanen atau suatu elektromagnet. Kuat medan luar ini dilambangkan dengan H0, dan arahnya dinyatakan oleh sebuah anak panah.
Proton yang bergasing dengan momen magnetik nuklirnya, dalam banyak hal, mirip dengan suatu batang magnet kecil. Bila molekul yang mengandung atom-atom hidrogen ditaruh dalam medan magnet luar, maka momen magnet dari tiap inti hidrogen atau proton, mengambil salah satu dari dua sikap (orientasi) dilihat dari medan magnet luar itu. Kedua orientasi yang diambil oleh momen magnetik nuklir itu adalah paralel atau antiparalel terhadap medan luar.
Dalam keadaan paralel, arah momen magnetik proton sama dengan arah medan luar. Dalam keadaan antiparalel, momen magnetik proton berlawanan arah dengan medan luar. Pada tiap saat, kira-kira separuh proton dalam suatu contoh dalam keadaan paralel dan separuh lainnya dalam keadaan antiparalel.
Keadaan paralel suatu proton sedikit lebih stabil daripada keadaan antiparalel. Bila dikenai gelombang radio yang frekuensinya cocok, momen magnetik dari sebagian kecil proton paralel akan menyerap energi dalam membalik atau jungkir balik (flip), menjadi berkeadaan antiparalel yang energinya lebih tinggi. Banyaknya energi yang diperlukan untuk membalik momen magnetik sebuah proton dari paralel ke antiparalel, bergantung sebagian pada besarnya H0. Jika H0 dibesarkan, inti itu lebih bertahan untuk dijungkirbalikkan dan diperlukan radiasi berfrekuensi lebih tinggi (berenergi lebih tinggi).
Bila gabungan khusus antara kuat medan magnet luar dan radio frekuensi, menyebabkan suatu proton berpindah dari keadaan paralel ke keadaan antiparalel, maka dikatakan proton itu dalam resonansi (ini resonsi macam lain, bukan seperti ’’resonansi’’ struktur benzen). Istilah resonansi magnetik nuklir (NMR) berarti ’’Inti-inti dalam resonansi dalam medan magnet’’.
Jadi, adanya resonansi magnetik nuklir itu diakibatkan oleh penyerapan radiasi elektromagnetik (daerah radiofrekuensi) oleh proton-proton dalam suatu magnet (H0), yang membalik dari keadaan spin paralel ke antiparalel, atau dengan kata lain, spektoskopi NMR didasarkan pada penyerapan gelombang radio oleh inti-inti tertentu dalam molekul organik, apabila molekul ini berada dalam medan magnet yang kuat.
Prinsip kerja NMR spectroscopy
Metode spektroskopi jenis ini didasarkan pada penyerapan energi oleh partikel yang sedang berputar di dalam medan magnet yang kuat. Pada umumnya metode ini berguna sekali untuk mengidentifikasi struktur senyawa / rumus bangun molekul senyawa organik..
Jumlah dan tempat proton dalam molekul senyawa organik menentukan bentuk spektrum yang dihasilkan.
Energi yang dipakai dalam pengukuran dengan metode ini berada pada daerah gelombang radio 75-0,5 m atau pada frekuensi 4-600 MHz, yang bergantung pada jenis inti yang diukurnya, NMR bermacam-macam ragamnya, misalnya NMR 1H, 13C, 19F.
Inti yang dapat diukur dengan NMR yaitu
a. Bentuk bulat
b. Berputar
c. Bilangan kuantum spin = ½
d. Jumlah proton dan netron ganjil, contoh : 1H, 19F, 31P, 11B, 13C.
Prinsip-prinsip interpretasi data spektra NMR :
Dalam satu macam spectrometer NMR, radio-frekuensinya dibuat tetap pada 600 MHz, sedangkan medan magnet luar (H0) diubah-ubah dalam suatu jangka (range) kecil, dan frekuensi absorpsi energi direkam untuk berbagai harga H0. Jadi, spectrum NMR ialah grafik dari banyaknya energi yang diserap (I, atau intensitas) versus kuat medan magnet.
Dalam spektra NMR ada dua spektrum, yaitu: spektrum atas dan spektrum bawah. Spektrum atas adalah suatu reproduksi spektrum sejati, sedangkan spektrum bawah adalah salinan yang telah dirias. Pada spektrum bawah menunjukkan adanya penyusuran medan dari H0 lemah ke H0 kuat.
Proton yang lebih mudah terbalik akan menyerap energi pada H0 lebih rendah; proton-proton ini akan menimbulkan peak bawah-medan (downfield; lebih ke kiri). Proton yang sukar membalik akan menyerap energi pada H0 tinggi dan menimbulkan peak yang atas-medan (upfield; lebih ke kanan).
Dalam suatu spektrum NMR, posisi serapan oleh sebuah proton bergantung pada kuat netto medan magnet lokal yang mengitarinya. Medan lokal ini merupakan hasil medan terapan H0 dan medan molekul terimbas yang mengitari proton itu dan berlawanan dengan medan terapan. Jika medan imbasan sekitar sebuah proton itu relatif kuat, maka medan itu melawan H0 dengan lebih kuat dan diperluas medan terapan yang lebih besar untuk membawa proton itu agar beresonansi. Dalam hal ini, proton itu dikatakan terperisai (shielded) dan absorpsinya terletak di atas medan dalam spektrum itu. Atau sebaliknya, jika medan imbasan di sekitar sebuah proton itu relatif lemah, maka medan yang dipakai juga lemah dan membawa proton ini ke dalam resonansi. Proton itu dikatakan tak-terperisai (deshielded) dan absorpsinya muncul di atas-medan. (Gambar 3).
Terperisai dan tak-terperisai adalah istilah relatif. Untuk memperoleh pengukuran yang kuantitatif diperlukan suatu titik rujukkan (referensi). Senyawa yang dipilih untuk titik rujukkan adalah tetra-metil silana (TMS), (CH3)4Si, yang proton-protonnya menyerap pada ujung kanan dalam spektrum NMR.
Dalam prakteknya, TMS ditambahkan langsung pada sampel, dan peak TMS bersama dengan peak-peak absorpsi dari senyawa sampel diperoleh dalam spektrum. Selisih antara posisi absorpsi TMS dan posisi absorpsi suatu proton tertentu disebut geseran kimia (chemical shift).
Geseran kimia memiliki simbol δ, yang dinyatakan sebagai bagian tiap juta (ppm) dari radio-frekuensi yang digunakan.
Keterangan dalam spektra NMR :
# Garis horizontal menunjukkan chemical shift (geseran kimia; simbol δ dengan satuan ppm).
# Garis vertikal menunjukkan absorpsi, yaitu semakin vertikal / tinggi, maka makin besar absorpsinya.
# Puncak yang muncul pada 0 ppm, disebabkan oleh adanya larutan blanko yang dijadikan sebagai zat standar yaitu tetra-metil silana (TMS).
# Luas puncak akan sebanding dengan jumlah proton yang ada dalam molekul senyawanya.
# Hubungan posisi puncak dengan kekuatan medan magnet, yaitu semakin banyak elektron yang menghalangi masuknya energi, maka makin besar pula energi yang diperlukan, akibatnya puncak spektrumnya tampak pada medan magnet yang tinggi.
Spektra NMR dapat diinterpretasi sbb:
Menginterpretasikan spectra dari suatu spectrum NMR proton, biasanya disimpulkan sebagai struktur yang berasal dari bagian hidrokarbon suatu molekul. Lebih lazim adalah diperlukannya informasi tambahan, seperti reaktivitas kimia, analisis unsur, dan spectra lain. Akan tetapi, informasi yang sering diberikan sebagai informasi tambahan, umumnya berupa rumus molekul. Sehingga kita dapat menghitung berapa banyaknya cincin atau ikatan rangkap. Selanjutnya, fragmen-fragmen struktur dapat ditetapkan berdasarkan spektra, dan kemudian dicoba mencocokkan fragmen-fragmen itu dengan rumus molekul yang telah diketahui sebelumnya (ingat: yang kita cari adalah stuktur senyawa atau rumus bangun molekul senyawa organik).
Posted in: Artikel Fisika
