makalah definisi, cara kerja, prinsip spektrofotometer

19.07 |

BAB II

PEMBAHASAN

SPEKTROMETER RESONANSI MAGNETIK INTI

Latar Belakang Spektrofotometer Resonansi Magnetik Inti (RMI)

Sebelum era 1950 para ilmuwan khususnya yang berkecimpung dalam bidang kimia organik mersakan kurang puas terhadap apa yang telah dicapai dalam analisis instrumental. Kekurangpuasan mereka terutama dari segi analisis kuantitatif, penentuan struktur dan gugus hidrokarbon yang dirasa banyak memberikan informasi.
Pada waktu itu dirasa perlu menambah anggota teknik spektroskopi untuk tujuan lebih banyak memberikan informasi gugus hidrokarbon dalam molekul. Dua orang ilmuwan dari USA pada tahun 1951 yaitu Felix Bloch dan Edwardo M. Purcell (dari Harvard university) menemukan bahwa inti atom terorientasi terhadap medan magnet.
Selanjutnya menurut Bloch dan Purcell setiap proton di dalam molekul yang sifat kimianya berbeda akan memberikan garis-garis resonansi orientasi magnet yang diberikan berbeda.

Bertolak dari penemuan ini lahirlah metode baru sebagai anggota baru teknik soektroskopi yang diberi nama “Nuclear Magnetic Resonance (NMR)”.
Para ilmuwan di Indonesia mempopulerkan metode ini dengan nama spektrofotometer Resonansi Magnet Inti (RMI). Spektrofotometri RMI sangat penting artinya dalam analisis kualitatif, khususnya dalam penentuan struktur molekul zat organik. Spektrum RMI akan mampu menjawab beberapa pertanyaan yang berkaitan dengan inti atom yang spesifik seperti:

Gugus apa yang dihadapi?
Di mana lokasinya gugus tersebut dalam molekul?
Beberapa jumlah gugus tersebut dalam molekul?
Siapa dan dimana gugus tetangganya?
Bagaimana hubungan gugus tersebut dengan tetangganya?
Hasil spektoskopi RMI seringkali merupakan penegasan urutan gugus atau susunan atom dalam satu molekul yang menyeluruh.

Fenomena Resonansi Magnet Inti dan Tingkat energinya
Setiap atom dalam sistem susunan berkala mempunyai lambang tertentu disertai nomor dan bilangan massa adalah sebuah atom x yang mempunyai nomor atom (a) dan massa relatif (b). Nomor atom menunjukkan jumah proton dalam inti sedangkan massa atom relatif menunjukkan jumlah netron dan proton dalam inti atom. Sebagai contoh adalah adalah atom karbon yang massa atom relatifnya (12), jumlah proton (6) dan netron (6).

Postulat dari Pauli (1924) mengatakan bahwa elektron yang mengelilingi inti atom pada keaadaan asas akan bergasing, demikian juga inti atom. Setiap lintasan elektron terisi dengan dua elektron yang berpasangan, artinya memberikan arah gasing yang berbeda. Sehingga elektron yang berpasangan tersebur tidak terorientasi oleh medan magnet luar atau bersifat diamagnetik.

Jadi ada suatu atom yang bersifat magnetik semata-mata disebabkan ada sisa pergasingan dari inti atom. Percobaan yang dilakukan oleh Bloch dan Purcell membuktikan bahwa inti atom akan menyerap radiasi elektromagnetik pada medan magnet luar yang kuat. Kesimpulan dari percobaan ini berarti inti atom tersebut terorientasi terhadap medan magnet.

Instrumentasi Spektrometer RMI

Bagian yang terpenting dari spektrofotometer RMI adalah :

1. Magnet kutub utara dan selatan yang dapat diubah kekuatannya dalam rentang kecil tertentu. Induksi medan magnet magnetic flux density dinyatakan dalam standar internasional (SI), yang disimbolkan sebagai H0, dengan satuan kekuatan dalam Tesla (T). Kekuatan medan magnet RMI harus disesuaikan terhadap momen magnet inti proton atau Untuk spektrometer RMI umum dipakai Ho = 2,35 T yang sesuai dengan frekuensi 100 MHz.

· Ada tiga jenis magnet yang dipakai :

· Magnet yang permanen,

· Eletromagne

· Magnet superkonduksi

Pemancar (transmisi) frekuensi Radio

2. Pancaran frekuensi Radio (RF) dibuat tetap. Oleh sebab itu spektrum RMI adalah merupakan grafik yang menunjukkan banyaknya energi yang diabsorpsi oleh inti atom dirajah terhadap kuat medan magnet luar (Ho).

3. Tempat sampel merupakan tabung gelas yang diletakkan di antara dua magnet utara dan selatan. Tabung gelas ini tempatnya dalam lilitan kumparan RF. Tabung sampel ini bergasing vertikal, berkekuatan di atas 25 Hz dengan memakai pemutar turbin udara.

Atom hidrogen sebagai magnet kecil

Jika anda mempunyai suatu kmpas jarum, biasanya akan mengarah pada medan magnet bumi dengan arah utara. Jika jarum kompas tersebut anda putar dengan jari sehingga menunjukkan arah selatan – arah yang berlawanan dengan medan magnet bumi. Posisi ini sangat tidak stabil karena berlawanan dengan arah medan magnet bumi, dan jika anda membiarkannya jarum akan segera kembali ke posisi semula yang lebih stabil.

Inti hidrogen juga mempunyai perilaku seperti magnet kecil dan inti-inti hidrogen dapat juga diatur arahnya agar sesuai dengan arah medan magnet luar atau berlawanan dengan arah medan magnet luar. Arah yang berlawanan dengan medan adalah tak stabil (energinya tinggi). Ini memungkinkan untuk mengubah arahnya dari yang lebih stabil ke kurang stabil dengan memberikan energi yang sesuai.

Energi yang dibutuhkan untuk mengubahnya tergantung pada kekuatan medan magnet luar yang digunakan, tetapi biasanya dalam kisaran gelombang radio – pada frekuansi antara 60 – 100 MHz. (frekuansi radio BBC 4 adalah diantara 92-95 MHz!)

Hal ini memungkinkan untuk mendeteksi hubungan antara gelombang radio pada frekuensi tertentu dengan perubahan orientasi proton sebagai suatu puncak dalam grafik. Perubahan proton dari satu arah ke arah lain oleh gelombang radio disebut dengan kondisi resonansi.

Pengaruh lingkungan kimia atom hidrogen

Mungkinkah kita mendapatkan suatu proton yang terisolasi, kenyataannya proton mempunyai sesuatu yang mengelilinginya – terutama elektron. Adanya elektron ini akan mengurangi pengaruh medan magnet luar yang dirasakan oleh inti hidrogen.

Misalkan anda menggunakan frekuensi radio 90 MHz, dan anda mengatur besarnya medan magnet sehingga suatu proton yang terisolasi dalam kondisi resonansi.

Jika anda mengganti proton yang terisolasi dengan proton yang terhubung dengan sesuatu, proton tidak akan merasakan pengaruh yang penuh dari medan luar dan akan berhenti beresonansi(berubah dari satu arah magnetik ke arah yang lain). Kondisi resonansi tergantung pada adanya kombinasi yang tepat antara medan magnet luar dan frekuensi radio.

Bagaimanakah anda mengembalikan kondisi resonansi? Anda dapat sedikit meningkatkan medan magnet luar untuk mengimbangi pengaruh elektron.

Misalnya anda menghubungkan hidrogen dengan sesuatu yang lebih elektronegatif. Elektron dalam ikatan akan makin menjauh dari inti hidrogen, sehingga pengaruhnya terhadap medan magnet di sekitar hidrogen akan berkurang.

Untuk mengembalikan hidrogen pada kondisi resonansi, anda harus sedikit meningkatkan medan magnet luar untuk mengimbangi pengaruh elektron – tetapi tidak sebanyak jika hidrogen berada didekat atom X.

Untuk suatu frekuensi radio yang diberikan (katakanlah, 90 MHz) atom hidrogen membutuhkan sedikit medan magnet untuk membuatnya beresonansi yang besarnya tergantung pada apa yang ada didekatnya – dengan kata lain kebutuhan medan magnet adalah untuk mengarahkan lingkungan atom hidrogen dalam suatu molekul.

Ciri-ciri spektrum RMI

Spektrum RMI yang sederhana adalah seperti berikut:

Puncak

Pada gambar terdapat dua puncak karena ada dua lingkungan hidrogen yang berbeda – dalam gugus CH₃ dan gugus COOH yang mengandung oksigen. Mereka berada pada posisi yang berbeda dalam spektrum karena membutuhkan medan magnet luar yang sedikit berbeda untuk menyebabkannya beresonansi pada frekuensi radio tertentu.

Ukuran kedua puncak memberikan informasi yang penting, yaitu banyaknya atom hidrogen dalam tiap-tiap lingkungan. Bukan tinggi puncaknya tetapi perbandigan luas area di bawah puncak. Jika anda dapat menghitung luas area di bawah puncak pada diagram di atas, anda akan mendapatkan perbandingannya 3 (untuk puncak yang besar) dan 1 (untuk yang kecil).

Perbandingan 3:1 menunjukkan banyaknya atom hidrogen dalam dua lingkungan yang berbeda – hal ini sesuai untuk CH₃COOH.

Perlunya standar sebagai pembanding – TMS

Sebelum kita menjelaskan makna skala pada posisi horisontal, kita akan menjelaskan tentang titik nol - pada bagian kanan skala. Nol adalah titik dimana anda akan mendapatkan suatu puncak yang disebabkan oleh atom-atom hidrogen dalam tetrametilsilan – biasanya disebut dengan TMS. Setiap pembacaan spektrum RMI akan dibandingkan dengan TMS ini.

http://www.chem-is-try.org/wp-content/migrated_images/analisis/tms.GIF

Anda akan menemukan puncak pada beberapa spektra RMI yang ditimbulkan oleh TMS (pada nol), dan yang lainnya akan menjauhi puncak TMS ke sebelah kiri. Pada dasarnya, jika anda akan menganalisis spektrum dengan suatu puncak pada nol, anda dapat mengabaikannya karena itu adalah puncak dari TMS.

TMS dipilih sebagai standar karena beberapa alasan, diantaranya:

TMS mempunyai 12 atom hidrogen yang semuanya memiliki lingkungan kimia yang sama. Mereka terikat oleh atom yang sama dengan cara yang sama sehingga tidak hanya menghasilkan puncak tunggal tetapi juga puncak yang kuat (karena ada banyak atom hidrogen).
Hidrogen pada senyawa ini lebih terlindungi dibandingkan pada senyawa lain karena adanya elektron-elektron ikatan C-H. Ini artinya inti hidrogen lebih terlindungi dari medan magnet luar, dan anda harus meningkatkan medan magnet untuk membawa hidrogen ini kembali ke kondisi resonansinya.

Pengaruh dari hal ini adalah TMS menghasilkan puncak yang ekstrim pada sisi kanan. Dan puncak lain akan muncul di sebelah kirinya.

Pergeseran kimia

Skala horisontal ditunjukkan sebagai (ppm). dinamakan pergeseran kimia/chemical shift dan dihitung dalam bagian per juta/parts per million – ppm.

Suatu puncak dengan pergeseran kimia, misalnya 2.0 artinya atom-atom hidrogen yang memunculkan puncak tersebut memerlukan medan magnet 2 juta lebih kecil dari medan yang dibutuhkan oleh TMS untuk menghasilkan resonansi.

Suatu puncak pada pergeseran kimia 2.0 dikatakan mempunyai medan lebih rendah dari TMS (downfiled).

Pelarut untuk spektroskopi RMI

Spektra RMI biasanya ditentukan dari larutan substansi yang akan dianalisis. Untuk itu pelarut yang digunakan tidak boleh mengandung atom hidrogen, karena adanya atom hidrogen pada pelarut akan mengganggu puncak-puncak spektrum.

Ada dua cara untuk mencegah gangguan oleh pelarut. Anda dapat menggunakan pelarut seperti tetraklorometana, CCl₄, yang tidak mengandung hidrogen, atau anda dapat menggunakan pelarut yang atom-atom hidrogennya telah diganti dengan isotopnya, deuterium, sebagai contoh CDCl₃ sebagai ganti CHCl₃. Semua spektrum RMI pada bagian ini menggunakan CDCl₃ sebagai pelarut.

Atom-atom deuterium mempunyai sifat-sifat magnetik yang sedikit berbeda dari hidrogen, sehingga mereka akan menghasilkan puncak pada area spektrum yang berbeda.

KEGUNAAN NMR

Banyak informasi yang dapat diperoleh dari spektra NMR. Pada umumnya metode ini berguna sekali untuk mengidentifikasi struktur senyawa atau rumus bangun molekul senyawa organik. Meskipun Spektroskopi Infra Merah juga dapat digunakan untuk tujuan tersebut, analisis spektra NMR mampu memberikan informasi yang lebih lengkap.

Dampak spektroskopi NMR pada senyawa bahan alam sangat penting. Ini dapat digunakan untuk mempelajari campuran analisis, untuk memahami efek dinamis seperti perubahan pada suhu dan mekanisme reaksi, dan merupakan instrumen tak ternilai untuk memahami struktur dan fungsi asam nukleat dan protein. Teknik ini dapat digunakan untuk berbagai variasi sampel, dalam bentuk padat atau pun larutan.

PRINSIP KERJA SPEKTROFOTOMETRI RESONANSI MAGNETIK INTI

Metode spektrofotometri jenis ini didasarkan pada penyerapan energi oleh partikel yang sedang berputar di dalam medan magnet yang kuat. 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 diukur.

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

Di dalam medan magnet, inti aktif NMR (misalnya 1H atau 13C) menyerap pada frekuensi karakteristik suatu isotop. Frekuensi resonansi, energi absorpsi dan intensitas sinyal berbanding lurus dengan kekuatan medan magnet. Sebagai contoh, pada medan magnet 21 tesla, proton beresonansi pada 900 MHz. nilai magnet 21 T dianggap setara dengan magnet 900 MHZ, meskipun inti yang berbeda beresonansi pada frekuensi yang berbeda.

Di Medan magnet bumi, inti yang sama beresonansi pada frekuensi audio. Fenomena ini dimanfaatkan oleh spektrometer NMR medan bumi, yang lebih murah dan mudah dibawa. Instrumen ini biasa digunakan untuk keperluan kerja lapangan dan pengajaran.

RESONANSI MAGNETIK NUKLIR

Resonansi magnetik nuklir (NMR) adalah sebuah fenomena fisik di mana inti magnetik dalam medan magnet menyerap dan memancarkan kembali radiasi elektromagnetik . Energi ini pada khusus resonansi frekuensi yang bergantung pada kekuatan medan magnet dan sifat magnetik dari isotop dari atom. NMR memungkinkan pengamatan khusus kuantum mekanik magnetik sifat-sifat inti atom . Banyak teknik ilmiah mengeksploitasi fenomena NMR untuk mempelajari fisika molekuler , kristal , dan non-kristal bahan melalui spektroskopi NMR . NMR juga secara rutin digunakan secara canggih dalam teknik pencitraan medis, seperti dalam pencitraan resonansi magnetik (MRI).

Fitur utama dari NMR adalah bahwa resonansi frekuensi zat tertentu secara langsung proporsional dengan kekuatan medan magnet diterapkan. Ini adalah fitur yang dimanfaatkan dalam teknik pencitraan, jika sampel ditempatkan dalam medan magnetik non-seragam maka frekuensi resonansi dari inti sampel tergantung pada tempat di lapangan mereka berada. Sejak resolusi teknik pencitraan tergantung pada besarnya medan magnet gradien , banyak upaya dilakukan untuk mengembangkan kekuatan medan meningkat, sering menggunakan superkonduktor . Efektivitas NMR juga dapat diperbaiki dengan menggunakan hyperpolarization , dan / atau menggunakan dua dimensi, tiga dimensi dan dimensi yang lebih tinggi multi frekuensi teknik.

Prinsip NMR biasanya melibatkan dua langkah berurutan:

Alignment (polarisasi) dari spin magnetik nuklir dalam, diterapkan konstan medan magnet H _0.
Para perturbasi ini keselarasan dari spin nuklir dengan menggunakan elektro-magnetik, biasanya frekuensi radio (RF) pulsa. Perturbing frekuensi yang dibutuhkan tergantung pada medan magnet statis (H ₀₎ dan inti pengamatan.

Dua bidang yang biasanya dipilih untuk menjadi tegak lurus satu sama lain karena hal ini memaksimalkan kekuatan sinyal NMR. Respon yang dihasilkan oleh magnetisasi total (M) dari spin nuklir adalah fenomena yang dimanfaatkan dalam spektroskopi NMR dan pencitraan resonansi magnetik . Kedua penggunaan intensif diterapkan medan magnet (H ₀₎ dalam rangka mencapai dispersi dan stabilitas yang sangat tinggi untuk memberikan resolusi spektral , dengan rincian yang dijelaskan oleh pergeseran kimia , yang efek Zeeman , dan pergeseran Ksatria (dalam logam).

Fenomena NMR juga digunakan dalam bidang rendah-NMR , NMR spektroskopi dan MRI di medan magnet bumi (disebut sebagai ladang NMR Bumi ), dan dalam beberapa jenis magnetometer .

Sejarah

Resonansi magnetik nuklir pertama kali dijelaskan dan diukur dalam balok molekul dengan Isidor Rabi pada tahun 1938, dan pada tahun 1944, Rabi dianugerahi Hadiah Nobel dalam fisika untuk pekerjaan ini. Pada tahun 1946, Felix Bloch dan Edward Mills Purcell memperluas Teknik untuk digunakan pada cairan dan padatan, yang mereka berbagi Hadiah Nobel dalam Fisika pada tahun 1952.

Purcell telah bekerja pada pengembangan radar selama Perang Dunia II di Massachusetts Institute of Technology 's Laboratorium Radiasi . Karyanya selama proyek pada produksi dan deteksi listrik frekuensi radio dan penyerapan daya RF seperti oleh materi meletakkan latar belakang untuk penemuan Rabi NMR.

Rabi, Bloch, dan Purcell melihat bahwa inti magnetik, seperti H dan P , bisa menyerap energi RF bila ditempatkan dalam medan magnetik dari sebuah kekuatan khusus untuk identitas inti. Ketika penyerapan ini terjadi, inti digambarkan sebagai berada dalam resonansi. Berbeda inti atom dalam molekul beresonansi pada berbeda (radio) frekuensi untuk kekuatan medan magnet yang sama. Pengamatan seperti frekuensi resonansi magnetik inti hadir dalam molekul memungkinkan setiap pengguna dilatih untuk menemukan penting, informasi tentang struktur kimia dan molekul.

Pengembangan NMR sebagai suatu teknik di bidang kimia analitik dan biokimia sejalan dengan perkembangan teknologi elektromagnetik dan canggih elektronik dan pengenalan mereka ke penggunaan sipil.

Prinsip kerja NMR

Banyak inti (atau lebih tepat, inti dengan paling tidak jumlah proton atau neutronnya ganjil) dapat dianggap sebagai magnet kecil. Inti seperti proton (¹H atau H-1) dan inti karbon-13 (¹³C atau C-13; kelimpahan alaminya sekitar 1%). Karbon -12 (¹²C), yang dijadikan standar penentuan massa, tidak bersifat magnet.

Bila sampel yang mengandung ¹H atau ¹³C (bahkan semua senyawa organik) ditempatkan dalam medan magnet, akan timbul interaksi antara medan magnet luar tadi dengan magnet kecil (inti). Karena ada interaksi ini, magnet kecil akan terbagi atas dua tingkat energi (tingkat yang sedikit agak lebih stabil (+) dan keadaan yang kurang stabel (-)) yang energinya berbeda. Karena dunia inti adalah dunia mikroskopik, energi yang berkaitan dengan inti ini terkuantisasi, artinya tidak kontinyu. Perbedaan energi antara dua keadaan diberikan oleh persamaan.

E = γhH/2π(13.4)

H kuat medan magnet luar (yakni magnet spektrometer), h tetapan Planck, γ tetapn khas bagi jenis inti tertentu, disebut dengan rasio giromagnetik dan untuk proton nilainya 2,6752 x 10⁸ kg^-1 s A (A= amper)??

Bila sampel disinari dengan gelombang elektromagnetik ν yang berkaitan dengan perbedaan energi

E, yakni,

E = hν (13.5)

inti dalam keadaan (+) mengabsorbsi energi ini dan tereksitasi ke tingkat energi (-). Proses mengeksitasi inti dalam medan magnetik akan mengabsorbsi energi (resonansi) disebut nuclear magnetic resonance (NMR)??

Frekuensi gelombang elektromagnetik yang diabsorbsi diungkapkan sebagai fungsi H.

ν = γH/2π(13.6)

Bila kekuatan medan magnet luar, yakni magnet spektrometer, adalah 2,3490 T(tesla; 1 T = 23490 Gauss), ν yang diamati sekitar 1 x 10⁸ Hz = 100 MHz??ilai frekuensi ini di daerah gelombang mikro.

Secara prinsip, frekuensi gelombang elektromagnetik yang diserap ditentukan oleh kekuatan magnet dan jenis inti yang diamati. Namun, perubahan kecil dalam frekuensi diinduksi oleh perbedaan lingkungan kimia tempat inti tersebut berada. Perubahan ini disebut pergeseran kimia.

Dalam spektroskopi ¹H NMR, pergeseran kimia diungkapkan sebagai nilai relatif terhadap frekuensi absorpsi (0 Hz) tetrametilsilan standar (TMS) (CH₃)₄Si??ergeseran kimia tiga jenis proton dalam etanol CH₃CH₂OH adalah sekitar 105??25 dan 490 Hz bila direkam dengan spektrometer dengan magnet 2 1140 T (90 MHz) (Gambar 13.6(a))??arena frekuensi absorpsi proton adalah 0,9 x 10⁸Hz (90 MHz), pergeseran kimia yang terlibat hanya bervariasi sangat kecil.

Frekuensi resonansi (frekuensi absorpsi) proton (atau inti lain) sebanding dengan kekuatan magnet spektrometer. Perbandingan data spektrum akan sukar bila spektrum yang didapat dengan magnet berbeda kekuatannya. Untuk mencegah kesukaran ini, skala δ, yang tidak bergantung pada kekuatan medan magnet, dikenalkan. Nilai δ didefinisikan sebagai berikut.

δ = (

ν/ν) x 106 (ppm) (13.7)

ν perbedaan frekuensi resonansi (dalam Hz) inti yang diselidiki dari frekuensi standar TMS (dalam banyak kasus) dan ν frek uensi (dalam Hz) proton ditentukan oleh spektrometer yang sama. Anda harus sadar bahwa Hz yang muncul di pembilang dan penyebut persamaan di atas dan oleh karena itu saling meniadakan. Karena nilai

ν/ν sedemikian kecil, nilainya dikalikan dengan 10⁶. Jadi nilai δ diungkapkan dalam satuan ppm.

Untuk sebagian besar senyawa, nilai δ proton dalam rentang 0-10 ppm. Nilai δ tiga puncak etanol di Gambar 13. 6 adalah 1,15; 3,6 dan 5,4??

Penemuan pergeseran kimia memberikan berbagai kemajuan dalam kimia. Sejak itu spektroskopi NMR telah menjadi alat yang paling efektif untuk menentukan struktur semua jenis senyawa. Pergeseran kimia dapat dianggap sebagai ciri bagian tertentu struktur. Misalnya, pergeseran kimia proton dalam gugus metil sekitar 1 ppm apappun struktur bagian lainnya. Lebih lanjut, seperti yang ditunjukkan di Gambar 13.6, dalam hal spektra ¹H NMR, intensitas sinyal terintegrasi sebanding dengan jumlah inti yang relevan dengan sinyalnya. Hal ini akan sangat membantu dalam penentuan struktur senyawa organik.

Kopiling spin-spin

Bahkan bila pergeseran kimia adalah satu-satunya informasi yang dihasilkan oleh spektroskopi NMR, nilai informasi dalam penentuan struktural senyawa organik sangat besar maknanya. Selain itu, spektroskopi NMR dapat memberikan informasi tambahan, yakni informasi yang terkait dengan kopling spin-spin.

Sebagaimana sudah Anda pelajari, tingkat energi inti (yakni, proton) terbelah menjadi keadaan berenergi tinggi dan rendah. Selain itu, tingkat-tingkat energi ini membelah lebih lanjut karena interaksi dengan inti tetangganya (inti-inti adalah magnet-magnet sangat kecil juga). Pembelahan ini sangat kecil tetapi akan memiliki akibat yang penting, yakni, pembelahannya tidak dipengaruhi oleh kekuatan medan magnet spektrometer. Pembelahannya hanya bergantung pada interaksi inti-inti.

Bila spektrum ¹H NMR etanol diukur dengan kondi si lebih baik (uakni resolusi lebih baik), sinyal CH₃- dan CH₂- tebelah menjadi multiplet . Pembelahan ini karena adanya kopling spin-spin antar proton. Spektra yang menunjukkan pembelahan kopling spin-spin ini disebut spektra resolusi tinggi. Sedang spektra yang tidak menunjukkan pembelahan ini disebut spektra resolusi rendah.

Spektroskopi NMR

Artikel utama: spektroskopi NMR

900 MHz, 21,2 T NMR Magnet di HWB-NMR, Birmingham, Inggris

NMR spektroskopi adalah salah satu teknik utama yang digunakan untuk mendapatkan informasi fisik, kimia, elektronik dan tentang struktur molekul karena baik pergeseran kimia, efek Zeeman , atau pergeseran Ksatria efek, atau kombinasi dari keduanya, pada frekuensi resonansi inti hadir dalam sampel. Ini adalah teknik yang kuat yang dapat memberikan informasi rinci tentang topologi, dinamika dan struktur tiga dimensi molekul dalam larutan dan keadaan padat. Dengan demikian, informasi struktural dan dinamis dapat diperoleh (dengan atau tanpa berputar "sudut ajaib" (MAS)) dari studi NMR quadrupolar inti (yaitu, orang-orang inti dengan spin S> ¹ / ₂₎ bahkan di hadapan magnet " dipol - dipol "memperluas interaksi (atau hanya, memperluas dipole) yang selalu jauh lebih kecil daripada kekuatan interaksi quadrupolar karena merupakan magnet vs efek interaksi listrik.

Informasi struktural dan kimia tambahan dapat diperoleh dengan melakukan double-kuantum eksperimen NMR untuk inti quadrupolar seperti H . Selain itu, resonansi magnetik nuklir adalah salah satu teknik yang telah digunakan untuk merancang automata kuantum, dan juga membangun dasar komputer kuantum .

Gelombang Kontinu (CW) spektroskopi

Pada dekade pertama beberapa, nuklir spektrometer resonansi magnetik menggunakan teknik yang dikenal sebagai gelombang kontinyu spektroskopi (CW spektroskopi). Meskipun spektrum NMR bisa, dan telah, diperoleh dengan menggunakan medan magnet tetap dan menyapu frekuensi radiasi elektromagnetik , ini lebih biasanya terlibat menggunakan sumber frekuensi tetap dan memvariasikan saat ini (dan karenanya medan magnet) dalam sebuah elektromagnet untuk mengamati penyerapan resonan sinyal. Ini adalah asal berlawanan dengan intuisi, tetapi masih umum, "lapangan tinggi" dan "lapangan rendah" terminologi untuk frekuensi rendah dan frekuensi tinggi daerah masing-masing dari spektrum NMR.

CW spektroskopi tidak efisien dibandingkan dengan analisis Fourier teknik (lihat di bawah) karena respon NMR probe pada frekuensi individu dalam suksesi. Karena sinyal NMR intrinsik lemah, spektrum diamati menderita miskin rasio signal-to-noise . Hal ini dapat diatasi dengan sinyal rata-rata yaitu menambahkan spektra dari pengukuran berulang. Sementara sinyal NMR adalah konstan antara scan dan menambahkan linear, yang acak kebisingan menambahkan lebih lambat - proporsional dengan akar kuadrat- dari jumlah spektrum (lihat jalan acak ). Oleh karena itu rasio signal-to-noise keseluruhan meningkat sebagai akar kuadrat-dari jumlah spektra diukur.

Transformasi Fourier spektroskopi

Kebanyakan aplikasi NMR spektra NMR melibatkan penuh, yaitu intensitas sinyal NMR sebagai fungsi dari frekuensi. Awal upaya untuk memperoleh spektrum NMR lebih efisien daripada metode sederhana yang terlibat CW menerangi target secara simultan dengan lebih dari satu frekuensi. Sebuah revolusi dalam NMR terjadi ketika pulsa pendek radiasi frekuensi radio mulai digunakan - berpusat di tengah spektrum NMR. Dalam terminologi sederhana, sebuah pulsa persegi pendek frekuensi yang diberikan "pembawa" "berisi" rentang frekuensi berpusat sekitar frekuensi pembawa, dengan kisaran eksitasi ( bandwith ) yang berbanding terbalik dengan durasi pulsa. Para Transformasi Fourier dari sekitar gelombang persegi berisi kontribusi dari semua frekuensi di sekitar frekuensi utama). Kisaran frekuensi terbatas NMR membuatnya relatif mudah digunakan pendek (milidetik untuk mikrodetik) pulsa frekuensi radio untuk merangsang seluruh spektrum NMR.

Menerapkan seperti pulsa untuk satu set spin nuklir secara bersamaan menggairahkan semua transisi kuantum tunggal NMR. Dalam hal vektor magnetisasi bersih, ini sesuai dengan memiringkan vektor magnetisasi jauh dari posisi kesetimbangan (sejajar sepanjang medan magnet eksternal). Out-of-ekuilibrium presesi vektor magnetisasi tentang vektor medan magnet eksternal pada frekuensi NMR dari spin. Ini vektor magnetisasi osilasi menginduksi arus di koil pick-up di dekatnya, menciptakan sinyal listrik berosilasi pada frekuensi NMR. Sinyal ini dikenal sebagai peluruhan induksi bebas (FID), dan berisi jumlah vektor dari respon NMR dari semua berputar bersemangat. Dalam rangka untuk memperoleh frekuensi-domain NMR spektrum (NMR penyerapan intensitas vs frekuensi NMR) ini sinyal waktu-domain (intensitas vs waktu) harus Fourier berubah . Untungnya pengembangan Fourier Transform NMR bertepatan dengan perkembangan komputer digital dan digital Fast Fourier Transform . Metode Fourier dapat diterapkan untuk berbagai jenis spektroskopi. (Lihat artikel lengkap di spektroskopi Fourier transform .)

Richard R. Ernst adalah salah satu pelopor pulsa NMR, dan ia memenangkan Hadiah Nobel dalam bidang kimia pada tahun 1991 untuk karyanya pada Fourier Transform NMR dan pembangunan multi-dimensi NMR (lihat di bawah).

Multi-dimensi Spektroskopi NMR

Penggunaan pulsa dari berbagai bentuk, frekuensi dan jangka waktu dalam pola khusus dirancang atau urutan pulsa spectroscopist memungkinkan untuk mengekstrak berbagai jenis informasi tentang molekul. Multi-dimensi spektroskopi resonansi magnetik nuklir adalah semacam FT NMR di mana setidaknya ada dua pulsa, dan sebagai percobaan diulang, urutan pulsa yang bervariasi. Dalam resonansi magnetik nuklir multidimensi akan ada urutan pulsa dan, setidaknya, satu periode waktu variabel. Dalam tiga dimensi, dua urutan waktu akan bervariasi. Dalam empat dimensi, tiga akan bervariasi.

Ada banyak percobaan tersebut. Dalam satu, ini interval waktu memungkinkan (antara lain) transfer magnetisasi antara inti dan, oleh karena itu, deteksi jenis interaksi nuklir-nuklir yang memungkinkan untuk transfer magnetisasi. Interaksi yang dapat dideteksi biasanya diklasifikasikan menjadi dua macam. Ada melalui-ikatan interaksi dan melalui-ruang interaksi, yang terakhir biasanya menjadi konsekuensi dari efek Overhauser nuklir . Percobaan dari berbagai Overhauser nuklir dapat digunakan untuk menetapkan jarak antara atom-atom, seperti misalnya dengan 2D-NMR FT molekul dalam larutan.

Meskipun konsep dasar 2D FT-NMR diusulkan oleh Jean Jeener dari Free University of Brussels pada Konferensi Internasional, ide ini sebagian besar dikembangkan oleh Richard Ernst yang memenangkan 1991 Nobel dalam Kimia untuk karyanya dalam FT NMR, termasuk multi FT-NMR dimensi, dan terutama 2D-NMR FT molekul kecil. ^[8] Multi-dimensi FT NMR eksperimen kemudian dikembangkan lebih lanjut menjadi metodologi yang kuat untuk mempelajari biomolekul dalam larutan, khususnya untuk penentuan struktur biopolimer seperti protein atau bahkan kecil asam nukleat . ^[9]

Kurt Wüthrich bersama (dengan John B. Fenn) pada tahun 2002 Penghargaan Nobel dalam Kimia untuk karyanya dalam protein FT NMR dalam larutan.

Solid-state NMR spektroskopi

Teknik ini melengkapi kristalografi sinar-X dalam yang sering berlaku untuk molekul dalam cairan atau kristal cair fase, sedangkan kristalografi, seperti namanya, dilakukan pada molekul dalam padat fase. Meskipun resonansi magnetik nuklir digunakan untuk mempelajari padat, luas atom-tingkat detail struktural molekul sangat menantang untuk mendapatkan dalam keadaan padat. Ada sinyal sedikit oleh gerakan termal rata-rata dalam keadaan padat, di mana molekul paling hanya dapat menjalani getaran terbatas dan rotasi pada suhu kamar, masing-masing dalam lingkungan elektronik yang sedikit berbeda, karena itu menunjukkan puncak penyerapan yang berbeda NMR. Seperti variasi dalam lingkungan elektronik dari hasil inti beresonansi dalam kabur dari spektrum diamati-yang sering hanya luas Gaussian band untuk non-quadrupolar berputar di solid-sehingga membuat interpretasi seperti " dipole "dan" pergeseran kimia anisotropi "(CSA) memperluas spektrum baik sangat sulit atau tidak mungkin.

Profesor Raymond Andrew di Nottingham University di Inggris mempelopori pengembangan resolusi tinggi solid-state resonansi magnetik nuklir . Dia adalah yang pertama melaporkan pengenalan MAS (contoh sudut ajaib berputar; MASSA) teknik yang memungkinkan dia untuk mencapai resolusi spektral dalam padatan yang cukup untuk membedakan antara kelompok-kelompok kimia dengan baik pergeseran kimia yang berbeda atau berbeda shift Ksatria . Dalam MASSA, sampel adalah berputar pada beberapa kilohertz sekitar sebuah sumbu yang membuat apa yang disebut sihir sudut θ _m (yang merupakan 54,74 ~ °, di mana cos θ _m = ² 1 / 3) sehubungan dengan arah medan magnet statis B _0; sebagai hasil dari sihir sudut berputar sampel tersebut, pergeseran kimia anisotropi band yang rata-rata rata-rata sesuai mereka (isotropik) kimia pergeseran nilai. Ekspresi di atas melibatkan cos θ _m ² berawal pada perhitungan yang memprediksi efek interaksi magnetik dipole untuk membatalkan keluar untuk nilai spesifik dari _m θ disebut sudut sihir. Salah satu mencatat bahwa keselarasan yang benar dari sumbu rotasi sampel sedekat mungkin untuk _m θ adalah penting untuk membatalkan keluar interaksi dwikutub yang kekuatannya untuk sudut cukup jauh dari _m θ biasanya lebih besar dari ~ 10 kHz untuk ikatan CH dalam padatan, misalnya, dan dengan demikian lebih besar dari nilai CSA mereka.

Ada sudut yang berbeda untuk sampel berputar relatif terhadap bidang diterapkan untuk rata-rata dari interaksi quadrupole dan interaksi paramagnetik, Sejalan ~ 30,6 ° dan 70,1 ° ~

Sebuah konsep yang dikembangkan oleh Sven Hartmann dan Erwin Hahn dipergunakan dalam mentransfer magnetisasi dari proton ke inti kurang sensitif (dikenal sebagai cross-polarisasi) oleh MG Gibby, Alex Pines dan John S. Waugh . Kemudian, Jake Schaefer dan Ed Stejskal menunjukkan juga penggunaan kuat cross-polarisasi dalam kondisi MASSA yang sekarang secara rutin digunakan untuk mendeteksi inti rendah kelimpahan dan sensitivitas rendah.

Sensitivitas

Karena intensitas sinyal resonansi magnetik nuklir dan, karenanya, sensitivitas dari teknik ini tergantung pada kekuatan medan magnet teknik ini juga telah maju selama beberapa dekade dengan perkembangan magnet yang lebih kuat. Kemajuan yang dibuat dalam teknologi audio-visual juga meningkatkan sinyal-generasi dan pengolahan kemampuan instrumen baru.

Seperti disebutkan di atas, kepekaan sinyal resonansi magnetik nuklir juga tergantung pada kehadiran sebuah studi magnetis-nuklida rentan dan, karenanya, baik pada kelimpahan alam nuklida atau pada kemampuan pencoba untuk artifisial memperkaya molekul, di bawah , dengan nuklida tersebut. Isotop yang paling berlimpah alami hidrogen dan fosfor (misalnya) keduanya magnetis rentan dan mudah berguna untuk spektroskopi resonansi magnetik nuklir. Sebaliknya, karbon dan nitrogen memiliki isotop yang berguna tetapi yang terjadi hanya dalam kelimpahan alam yang sangat rendah.

Keterbatasan lainnya pada sensitivitas timbul dari sifat kuantum mekanik dari fenomena tersebut. Untuk keadaan kuantum dipisahkan oleh energi yang setara dengan frekuensi radio, energi panas dari lingkungan menyebabkan penduduk di negara-negara untuk menjadi dekat dengan sama. Karena radiasi yang masuk sama mungkin menyebabkan emisi terstimulasi (transisi dari atas ke negara yang lebih rendah) sebagai penyerapan, efek NMR tergantung pada kelebihan inti di negara-negara yang lebih rendah. Beberapa faktor yang dapat mengurangi sensitivitas, termasuk

Peningkatan temperatur, yang GENAP keluar penduduk negara. Sebaliknya, NMR suhu rendah kadang-kadang dapat menghasilkan hasil yang lebih baik daripada suhu ruang NMR, memberikan sampel tetap cair.
Saturasi dari sampel dengan energi diterapkan pada frekuensi radio resonan. Hal ini memanifestasikan di kedua CW dan berdenyut NMR, dalam kasus pertama (CW) ini terjadi dengan menggunakan terlalu banyak kekuasaan terus menerus yang membuat tingkat putaran atas sepenuhnya dihuni, dalam kasus kedua (berdenyut), pulsa masing-masing (yang setidaknya 90 ° pulsa) daun sampel jenuh, dan 4-5 kali (longitudinal) waktu relaksasi (5 T ₁₎ harus lulus sebelum pulsa berikutnya atau urutan pulsa dapat diterapkan. Untuk percobaan tunggal pulsa, pulsa RF pendek yang ujung magnetisasi oleh kurang dari 90 ° dapat digunakan, yang kehilangan beberapa intensitas sinyal, tetapi memungkinkan untuk penundaan daur ulang lebih pendek. Di sana optimal disebut sudut Ernst, setelah pemenang nobel. Terutama di NMR keadaan padat, atau dalam sampel dengan inti sangat sedikit dengan berputar> 0, (berlian dengan 1% alami Karbon-13 ini terutama bermasalah di sini) waktu relaksasi dapat memanjang pada kisaran jam, sedangkan untuk proton- NMR mereka lebih pada kisaran satu detik.
Non-magnetik efek, seperti listrik- quadrupole kopling spin-1 dan ^spin-3 / ₂ inti dengan lingkungan lokal mereka, yang memperluas dan melemahkan puncak serapan. N , inti berputar-1 berlimpah, sulit untuk belajar karena alasan ini. NMR resolusi tinggi daripada molekul probe menggunakan jarang N isotop, yang memiliki ^berputar-1 / _2.

Contoh penggunaan NMR dalam bidang :

Kedokteran

Penerapan resonansi magnetik nuklir paling dikenal masyarakat umum adalah pencitraan resonansi magnetik untuk diagnosis medis dan mikroskop resonansi magnetik dalam pengaturan penelitian, bagaimanapun, juga banyak digunakan dalam penelitian kimia, terutama dalam spektroskopi NMR seperti RMI proton , karbon-13 NMR , NMR deuterium dan fosfor-31 NMR. Informasi biokimia juga dapat diperoleh dari jaringan hidup (misalnya manusia otak tumor ) dengan teknik yang dikenal sebagai dalam spektroskopi resonansi magnetik vivo atau kimia Mikroskopi pergeseran NMR .

Studi ini dimungkinkan karena inti dikelilingi oleh elektron mengorbit, yang dibebankan partikel yang menghasilkan kecil, medan magnet lokal yang menambah atau mengurangi dari medan magnet eksternal, dan sebagian akan melindungi inti. Jumlah perisai tergantung pada lingkungan lokal yang tepat. Sebagai contoh, hidrogen terikat pada sebuah oksigen akan terlindung berbeda dari hidrogen terikat pada atom karbon. Selain itu, dua inti hidrogen dapat berinteraksi melalui proses yang dikenal sebagai spin-kopling berputar , jika mereka berada di molekul yang sama, yang akan membagi baris spektrum dengan cara dikenali.

Sebagai salah satu dari dua teknik spektroskopi utama yang digunakan dalam metabolomik , NMR digunakan untuk menghasilkan sidik jari metabolisme dari cairan biologis untuk mendapatkan informasi tentang keadaan penyakit atau penghinaan beracun.

Kimia

Dengan mempelajari spektrum puncak resonansi magnetik nuklir, ahli kimia dapat menentukan struktur senyawa banyak. Ini bisa menjadi teknik yang sangat selektif, membedakan antara banyak atom dalam molekul atau kumpulan molekul dari jenis yang sama tetapi yang berbeda hanya dalam hal lingkungan kimia lokal mereka. Lihat artikel tentang karbon-13 NMR dan NMR proton untuk diskusi rinci.

Dengan mempelajari T ₂ * informasi, seorang ahli kimia dapat menentukan identitas suatu senyawa dengan membandingkan nuklir frekuensi yang diamati dengan frekuensi presesi dikenal. Data struktur lebih lanjut dapat dijelaskan dengan mengamati spin-kopling berputar, suatu proses dimana frekuensi presesi inti dapat dipengaruhi oleh transfer magnetisasi dari inti dekatnya. Kopling spin-berputar ini paling sering diamati di NMR yang melibatkan isotop umum, seperti Hidrogen-1 (1
H NMR).

Karena skala waktu resonansi magnetik nuklir agak lambat, dibandingkan dengan metode spektroskopi lainnya, mengubah suhu T ₂ * percobaan juga dapat memberikan informasi tentang reaksi cepat, seperti penataan ulang Cope atau tentang dinamika struktural, seperti cincin-membalik dalam sikloheksana . Pada suhu yang cukup rendah, pembedaan bisa dibuat antara atom hidrogen aksial dan ekuatorial dalam sikloheksana.

Sebuah contoh dari resonansi magnetik nuklir yang digunakan dalam penentuan struktur adalah bahwa dari Buckminsterfullerene (sering disebut "bulky balls", komposisi C _60). Bentuk kini terkenal karbon memiliki atom karbon 60 membentuk bola. Atom karbon dalam lingkungan semua identik dan sehingga harus melihat bidang internal yang sama H. Sayangnya, Buckminsterfullerene tidak mengandung hidrogen dan sebagainya 13
C resonansi magnetik nuklir harus digunakan. 13
C spektrum membutuhkan waktu akuisisi lama karena karbon-13 tidak isotop karbon yang umum (seperti hidrogen, di mana 1
H adalah isotop umum). Namun, pada tahun 1990 spektrum diperoleh oleh R. Taylor dan rekan kerja di Universitas Sussex dan ditemukan mengandung puncak tunggal, menegaskan struktur yang tidak biasa Buckminsterfullerene. ^[11]

pengujian Non-destruktif

Resonansi magnetik nuklir sangat berguna untuk menganalisis sampel non-destruktif. Gelombang radio dan medan magnet statis mudah menembus berbagai jenis materi dan sesuatu yang tidak inheren feromagnetik . Sebagai contoh, berbagai sampel biologis mahal, seperti asam nukleat , termasuk RNA dan DNA , atau protein , dapat dipelajari dengan menggunakan resonansi magnetik nuklir selama beberapa minggu atau bulan sebelum menggunakan eksperimen biokimia destruktif. Hal ini juga membuat resonansi magnetik nuklir pilihan yang baik untuk menganalisis sampel berbahaya.

Perolehan Informasi Dinamis

Selain memberikan informasi statis pada molekul dengan menentukan struktur 3D mereka dalam larutan, salah satu keuntungan luar biasa dari NMR selama kristalografi sinar-X adalah bahwa hal itu dapat digunakan untuk memperoleh informasi dinamis penting termasuk gerak frekuensi rendah kolektif dalam protein dan DNA , misalnya dalam sistem ^+-kalmodulin Ca ^2. ^[12] Gerak frekuensi rendah internal di biomakromolekul dan fungsi biologis yang telah dibahas oleh Chou.

Data Akuisisi Di Industri Perminyakan

Lain digunakan untuk resonansi magnetik nuklir adalah data akuisisi di industri perminyakan untuk minyak bumi dan gas alam eksplorasi dan pemulihan. Sebuah lubang yang dibor ke dalam batuan sedimen dan strata di mana nuklir resonansi magnetik peralatan logging diturunkan. Analisis resonansi magnetik nuklir dari lubang bor ini digunakan untuk mengukur porositas batuan, permeabilitas memperkirakan dari distribusi ukuran pori dan mengidentifikasi cairan pori (air, minyak dan gas). Instrumen ini biasanya bidang rendah NMR spektrometer.

Arus Probe Untuk Spektroskopi NMR

Baru-baru ini, aplikasi real-time NMR di media cair telah dikembangkan menggunakan probe yang dirancang khusus aliran (aliran majelis sel) yang dapat menggantikan tabung probe standar. Hal ini memungkinkan teknik yang dapat menggabungkan penggunaan kinerja kromatografi cairan yang tinggi (HPLC) atau perangkat sampel pengenalan aliran kontinu. ^[14]

Kontrol Proses

NMR kini telah memasuki arena real-time proses kontrol dan optimasi proses di kilang minyak dan petrokimia tanaman. Dua jenis analisis NMR yang digunakan untuk memberikan analisis real time feed dan produk dalam rangka untuk mengontrol dan mengoptimalkan operasi unit. Waktu-domain NMR (TD-NMR) spektrometer operasi di lapangan rendah (2-20 MHz untuk 1
H ) hasil peluruhan induksi bebas data yang dapat digunakan untuk menentukan absolut hidrogen nilai konten, rheologi informasi, dan komposisi komponen. Spektrometer ini digunakan dalam pertambangan , polimer produksi, kosmetik dan manufaktur makanan serta batubara analisis. Resolusi tinggi FT-NMR spektrometer beroperasi di rentang 60 MHz dengan sistem terlindung magnet permanen menghasilkan resolusi tinggi 1
H NMR spektra kilang dan petrokimia sungai. Variasi diamati pada spektrum ini dengan perubahan sifat fisik dan kimia dimodelkan menggunakan kemometrika untuk menghasilkan prediksi pada sampel yang tidak diketahui. Hasil prediksi disediakan untuk mengontrol sistem melalui output analog atau digital dari spektrometer.

Quantum komputasi

NMR komputasi kuantum menggunakan berputar negara bagian molekul sebagai qubit . NMR berbeda dari implementasi lain dari komputer kuantum dalam yang menggunakan ensemble dari sistem, dalam hal ini molekul kasus.

Magnetometer

Berbagai magnetometer menggunakan efek NMR untuk mengukur medan magnet, termasuk presesi proton magnetometer (PPM) (juga dikenal sebagai magnetometer proton ), dan magnetometer Overhauser . Lihat juga NMR lapangan Bumi .