MAGNETIK RESONANS INTI (MRI)

2014/12/8

Agenda

MAGNETIK RESONANS INTI (MRI) Spektrometri

Pendahuluan Percobaan FT-NMR Geseran Kimia Coupling spin-spin

Divisi Kimia Analitik FMIPA IPB

Instrumentasi Aplikasi Analitik Teknik NMR Hypenated

Sejarah NMR • 1945: First successful detection of an

• • • • • • •

NMR signal by Felix Bloch (Stanford) and Edward Purcell (Harvard): Nobel prize in Physics 1952 1949: Discovery of the NMR echo by Erwin Hahn 1951: Discovery of the chemical shift by J. T. Arnold and F. C. Yu 1951: Discovery of the indirect spin-spin coupling by W. G. Proctor 1953: Earth field NMR for well logging by Schlumberger-Doll 1966: Introduction of Fourier NMR by Richard Ernst, Nobel Prize in Chemistry 1991 1971: Two-dimensional NMR by Jean Jeener, later multi-dimensional NMR by Richard Ernst

Spektrum elektromagnetik • 1972: NMR imaging by Paul Lauterbur and

•

•

•

• • •

Peter Mansfield, Nobel prize in Medicine 2003 1975: Multi-quantum NMR and spectroscopy by T. Hashi, later by Alex Pines and Richard Ernst 1977: High-resolution solid-state NMR spectroscopy by John Waugh, Ed Stejskal, and Jack Schaefer 1979: 2D Exchange NMR by Jean Jeener. Application to protein analysis in molecular Biology by Kurt Wuthrich, Nobel prize in Chemistry 2002 1980: Unilateral NMR in process control and medicine by Jasper Jackson 1984: Hyper polarization of xenon by William Happer 1995: Commercialization of well logging NMR by NUMAR

1

2014/12/8

Bagaimana Radiasi dan Materi Berinteraksi?

Bagaimana Radiasi dan Materi Berinteraksi?

Spektrum elektromagnetik

Agenda

Pendahuluan

Pendahuluan Sifat Inti Atom

Kuantisasi Inti 1H pada Medan Magnet

Lebar Garis Absorpsi

• MRI melibatkan absorpsi gelombang radio oleh inti atom yang

dikombinasikan dengan atom lain dalam molekul yang berada dalam medan magnet • Gelombang radio memiliki energi radiasi elektromagnetik yang rendah. Frekuensinya 107 Hz. • Kuantitas energi yang terlibat dalam radiasi frekuensi radio (RF) sangat sedikit  • tidak memungkinkan vibrasi, rotasi ataupun eksitasi elektronik dari atom atau

molekul

• Putaran inti atom dalam medan magnet dapat menyerap radiasi RF dan absis

putaran inti berubah arah • Secara prinsip: tiap atom yang berbeda secara kimia di dalam

molekul akan memiliki frekuensi absorpsi (resonansi) jika inti berada dalam momen magnet

• Bidang analitik yang menggunakan absorbsi radiasi RF oleh inti

dalam medan magnet memberikan informasi sampel dalam spektroskopi MRI

2

2014/12/8

Pendahuluan • Dalam kimia analitik, MRI adalah teknik yang digunakan untuk

mempelajari bentuk dan struktur molekul.

• Perbedaan lingkungan kimia dari inti atom aktif NMR yang

berada dalam molekul memberikan informasi struktur molekul

• MRI memberikan informasi orientasi spasial atom dalam

molekul

• Jika telah diketahui senyawa apa yang ada di dalam campuran,

MRI dapat digunakan untuk menentukan berapa banyak senyawa tersebut dalam campuran • Artinya MRI dapat digunakan untuk tujuan kualitatif dan tujuan kuantitatif • MRI juga dapat digunakan untuk mempelajari kesetimbangan kimia, kinetika reaksi, pergerakan molekul dan interaksi intermolekul

1.1 Sifat Inti Atom

1.1 Sifat Inti Atom

• Diasumsikan inti berotasi pada aksis dan memiliki spin inti

• Inti memiliki sifat

yang dilambangkan dengan ℓ, bilangan kuantum spin.

• Inti memiliki muatan • Spin inti bermuatan menghasilkan medan magnet sepanjang

rotasi aksis  untuk menghasilkan sinyal dalam percobaan NMR harus memiliki bilangan kuantum  0 dan harus memiliki momen magnet dipol • Inti seperti 1H spinnya diaksis dan membentuk 2 tingkat energi yang berbeda. Karena inti memiliki massa dan karena massa bergerak, inti memiliki momentum spin angular dan menghasilkan energi mekanik • Rumus energi mekanik untuk inti hidrogen ialah

magnet pada skala yang sangat kecil • Inti terdiri dari proton dan neutron dengan sifat spt pada Tabel

Characteristic

Neutron

Proton

Mass (kg)

1.67410-27

1.67410-27

Charge (coulomb)

0

1.602 10-19

Spin quantum number

½

Magnetic moment (joule/tesla)

-9.66

Magnetic moment (nuclear magnetron)

-1.91

½

10-27

1.41 10-26

2.79

• Dimana l adalah bilangan kuantum spin

3

2014/12/8

1.1 Sifat Inti Atom

1.1 Sifat Inti Atom

• l adalah sifat fisik inti yang dibuat dari proton dan neutron

Inti Atom

Jumlah Jumlah Total spin proton tak neutron tak berpasangan berpasangan

 (MHz) Rasio magnetogirik

1H

1

0

½

42.6

2H

1

1

1

6.5

31P

1

0

½

17.3

23Na

1

2

3/2

11.3

15N

0

1

½

4.3

: no atom 6, no massa 12  ada 6 proton (genap) dan 6 neutron (genap). spin inti = 0  tidak ada spin  tidak ada momen magnetik • Inti dengan l = 0 tidak menyerap radiasi RF jika diletakkan dalam medan magnet  tidak memberikan sinyal pada MRI.

13C

0

1

½

10.7

19F

1

0

½

40.1

1.1 Sifat Inti Atom

1.1 Sifat Inti Atom

• l adalah sifat fisik inti yang dibuat dari proton dan neutron

• Bentuk kedua dari energi inti ialah magnetik

• Contoh

12C

• Tiap pergerakan muatan listrik menghasilkan medan magnet • Momen magnet inti menggambarkan  pembesaran dari dipol

magnet Penting di senyawa organik

• Rasio momen magnet inti terhadap bilangan kuantum spin

disebut rasio magnetigirik (giromagnetik) yang disimbolkan    = /l. • Rasio ini berbeda pada tiap inti • Medan magnet inti yang menghasilkan momen magnetik inti dapat dan akan berinteraksi dengan medan magnet lokal. • Dasar MRI adalah mempelajari inti aktif secara magnetik pada medan magnet yang diaplikasikan dari luar.

4

2014/12/8

1.2 kuantisasi inti 1H pada medan magnet


• Ketika inti ditempatkan pada medan magnet uniform yang

• Besarnya E setara dengan kekuatan medan magnet

• • •

•

sangat kuat, B0, inti akan lined up (berbaris) pada arah tertentu yang relatif pada arah medan magnet. Tiap arah berasosiasi dengan tingkat energi. Hanya tingkat energi yang terdefinisikan dengan baik yang dimungkinkan sehingga dapat dikuantisasi. Jumlah orientasi atau bilangan kuantum magnetik adalah sifat fisik dari inti dan nilainya setara dengan 2l + 1. Untuk 1H  l = ½ sehingga jumlah orientasinya 2 (dinyatakan dengan bilangan kuantum magnetik, m yaitu l, l-1, l-2, ….-l. Sehingga untuk 1H hanya ada 2 tingkat energi yaitu m=- ½ dan m=+ ½ Pecahnya tingkat energi pada medan magnet disebut Zeeman splitting


eksternal dan momen magnet inti .

• Penyerapan radiasi pd frekuensi tertentu setara dg E

1.2 kuantisasi inti 1H pada medan magnet • Inti juga berputar pada aksis akibat medan magnet

eksternal. Perputaran ini disebut precession

Persamaan Larmor: Hubungan frekuensi  adsoprsi radiasi FR & kekuatan medan magnet

• Rotasi aksis inti hidrogen sebesar sudut  terhadap medan magnet yang diberikan. • Energinya setara dengan E =  Bo cos  • Ketika energi dalam bentuk RF diabsorpsi oleh inti sudut  pasti berubah • Untuk proton, absorpsi melibatkan flipping momen magnet dari yang searah dengan medan magnet menjadi berlawanan dengan medan yang diberikan

5

2014/12/8



• Ketika laju presisi setara dengan frekuensi

RF yang diberikan, absorpsi radiasi menyebabkan inti menjadi berlawanan arah dengan medan magnet (keadaan tereksitasi) • Ketika senyawa organik yang mengandung proton diukur pada NMR, sampel pertama kali diletakkan pada medan magnet lalu diiradiasi dengan radiasi RF • Ketika frekuensi radiasi cocok, komponent magnetik akan mengabsorb energi radiasi

• Jika medan B0 dibuat tetap, dapat dibuat

hubungan absorbsi terhadap frekuensi radiasi RF. Hasilnya spt gambar di samping • Percobaan yang sama dapat dilakukan dengan membuat frekuensi RF tetap dan Bo bervariasi

• Spektra NMR aktual untuk

toluena. Kiri atas pada proton 300MHz, kiri bawah 13C 300MHz, kanan proton pada 60MHz


1.2.1 saturasi dan kekuatan medan magnet

• Ketika inti menyerap energi, akan tereksitasi dan mencapai

• Perbedaan energi antara keadaan dasar dan keadaan inti tereksitasi

keadaan tereksitasi. Inti akan kehilangan energi dan kembali ke keadaan tidak tereksitasi. Kemudian inti kembali menyerap energi radiasi dan kembai ke keadaann tereksitasi. Inti yang berganti-ganti keadaan tereksitasi dan tidak tereksitasi  keadaannya disebut resonansi. (NMR) • Kekuatan medan magnet diberikan dengan nilai tesla (T) atau gauss (G). Hubungan antara kedua unit:1T=104G • Jika medan magnet yang dipalikasikan 1.41T frekuensi yang

diabsorpsi oleh proton: 60MHz • 60MHz menggambarkan kekuatan medan magnet yang diaplikasikan • Untuk inti 13C juga menyerap radiasi 60MHz, tetapi kekuatan medan magnet yang diperlukan 5.6T (4 kali dari proton karena rasio magnetogiriknya)

sangat kecil

• Jumlah inti dalam keadaan dasar adalah jumlah inti yang searah

dengan medan magnet, dengan rasio:

• Jika suhu 293K medan magnet 4.69T; rasio mendekati 1  NMR

kurang sensitif

• Molekul pada keadaan dasar dpt mengabsorpsi energi dan masuk ke

keadaan tereksitasi

• Molekul pada keadaan tereksitasi akan melepaskan energi dan

kembali ke keadaan dasar.

• Jika rasionya=1, sinyal yang terbaca=0, tdk ada absorpsi terdeteksi • Hanya didapatkan sinyal jika terdapat kelebihan molekul pada

keadaan dasar

6

2014/12/8



• Kelebihan jumlah molekul yang tidak tereksitasi

• Intensitas medan magnet harus kuat untuk menghindari

dibandingkan yang tereksitasi disebut Boltzmann excess • Ketika tidak ada radiasi ke sampel, Boltzmann excess maksimum

Nx, tapi ketika ada radiasi ke sampel jumlah inti dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi meningkat sehingga jumlah inti di keadaan dasar akan berkurang hingga terjadi kesetimbangan baru Ns. • Ketika Ns=Nx absorbsi maksimum • Ketika Ns=0, absorbsi 0 • Rasio Ns/Nx disebut Z0, faktor saturasi

saturasi • Kekuatan medan meningkat, sinyal intensitas NMR

meningkat • Memaksa untuk mengembangkan NMR dengan medan

magnet yang kuat

• Jika medan RF diberikan terlalu intens, semua inti akan

tereksitasi Ns0 dan absorpsi 0. Sampel disebut tersaturasi

1. 3 Lebar Garis Absorpsi


• Resolusi atau pemisahan dua garis absorpsi bergantung

Medan homogenasi • Medan magnet B0 harus konstan di seluruh bagian sampel • Jika medan magnet tidak homogen, Bo akan berbeda untuk tiap bagian sampel yang berbeda sehingga frekuensi absorbsinya pun akan berbeda  lebar puncak • Untuk tujuan kualitatif, puncak yang lebar tidak diharapkan karena akan terjadi puncak yang tumpang tindih  mempersulit analisis struktur • Medan magnet harus konstan dalam bbrp ppb saat sampel masuk dan harus stabil saat diambil datanya (5 – 30 menit atau lebih lama) • Beberapa teknik perlu medan tidak homogen, seperti spinning sample holder dalam medan magnet

pada seberapa dekat satu garis absorpsi yang satu dengan yang lain. • Lebar garis absorpsi akan dipengaruhi oleh beberapa faktor dan hanya beberapa yang dapat dikendalikan • Medan homogenasi • Waktu relaksasi • Magic angle spinning • Sumber lainnya

7

2014/12/8

1. 3 Lebar Garis Absorpsi Waktu relaksasi • Prinsip ketidakpastian Heisenberg E.t = konstan; E ketidakpastian E dan t waktu yang digunakan inti di keadaan tereksitasi • E+E=h(+ )E besar; t kecil  besar  selang perbedaan frekuensi besar dan menghasilkan lebar garis absorpsi • t dikendalikan oleh laju inti tereksitasi kehilangan energi dan kembali ke keadaan tidak tereksitasi. Proses ini disebut relaksasi, waktunya disebut waktu relaksasi • Dua prinsip relaksasi: • Relaksasi longitudinal • Relaksasi transversal

1. 3 Lebar Garis Absorpsi Waktu relaksasi • Relaksasi longitudinal: • Inti pada NMR baik yang mengabsorpsi ataupun yang tidak disebut kisi • Inti dalam keadaan tereksitasi (keadaan spin tinggi) dapat kehilangan

energi ke kisi

• Ketika inti jatuh ke energi yang lebih rendah (keadaan spin rendah)

energi diabsorpsi oleh kisi meningkatkan vibrasi dan gerak rotasi

• Perbedaan suhu sampel yang kecil menghasilkan relaksasi spin kisi

(longitudinal) yang terjadi sangat cepat dan umum terjadi pada sampel cairan

• Relaksasi longitudinal memiliki waktu T1 yang bergantung pada rasio

magnetogirik dan mobilitas kisi

• Pada kristal padat atau cairan kental T1 besar karena mobilitas kisinya

kecil

• Mobilitas  T1  waktu lebih cepat; mobilitas spektrum B makin

lebar  kemungkinan cocok  T1



Waktu relaksasi • Relaksasi transversal:

Magic Angle Spinning • Orientasi inti pada keadaan padat adalah tetap, tiap ini yang secara kimia identik terlihat berbeda pada medan magnet yang diberikan menghasilkan spektra NMR yang lebar • Medan magnet efektif yang terlihat oleh inti bergantung pada lingkungan kimianya; posisi dimana inti resonansi yang disebut geseran kimia. Dasar geseran kimia bergantung lingkungan yang berbeda dari molekul adalah kunci penentuan struktur pada NMR • Fenomena solid of nuclei memberikan geseran kimia yang berbeda sebagai hasil orientasi lingkungan yang disebut chemical shift anisotropy. • Geseran kimia karena anisotropy magnetik berhubungan langsung dengan sudut antara sampel dan medan magnet yang diberikan • Secara teoritis dan praktis sudut 54.76o digunakan (magic angle) terhadap medan magnet dibandingkan sudut 90o pada sampel cairan

• Inti tereksitasi dapat memberikan energinya ke inti tidak tereksitasi

terdekatnya. • Dalam proses ini, proton yang dekat dengan molekul tidak

tereksitasi akan tereksitasi dan proton yang tereksitasi sebelumnya menjadi tidak tereksitasi • Tidak ada perubahan energi pada sistem tapi waktu untuk satu inti berada pada keadaan tereksitasi jadi lebih pendek karena interaksi. • Rerata waktu pada keadaan tereksitasi berkurang dan menghasilkan pelebaran garis. • Tipe relaksasi ini disebut relaksasi spin-spin (transversal), dengan waktu T2

8

2014/12/8



Magic Angle Spinning

Magic Angle Spinning • Spinning diberikan pada frekuensi sangat tinggi (5-15 kHz) utuk hasil yang optimum • Spinning memberikan resolusi lebih baik dan meningkatkan pengukuran geseran kimia dan spin-spin splitting • Probe khusus telah dikembangkan untuk NMR fase padat yang secara otomatis ditempatkan pada sudut magic angle. • Instrumen dengan magic angle spinning (MAS)  NMR fase padat dapat dilakukan secara rutin • MAS dikombinasikan dengan teknik 2 pulsa RF disebut cross polarization dan dipolar decoupling


Agenda

Sumber lain pelebaran garis • Proses lain seperti deaktivasi atau relaksasi, molekul tereksitasi menghasilkan waktu pada keadaan tereksitasi yang berkurang  menyebabkan pelebaran garis • Penyebab deaktivasi: • Adanya ion  muatan lokal yang besar akan mendeaktivasi inti • Molekul paramagnetik seperti O2 terlarut, momen magnet elektron

sekitar 103 lebih besar dari momen magnet inti  medan lokal yang lebih besar menghasilkan pelebaran garis • Inti dengan momen kuardupol. Inti dengan l> ½ memiiki momen kuardupol yang menyebabkan interaksi elektronik dan pelebaran garis. Inti penting dengan medan kuardupol adalah 14N yang banyak ditemukan pada senyawa organik seperti amina, asam amino dan protein

Pendahuluan Percobaan FT-NMR Geseran Kimia Coupling spin-spin Instrumentasi Aplikasi Analitik Teknik NMR Hypenated

9

2014/12/8

Percobaan FT NMR

Percobaan FT-NMR

• Waktu yang diperlukan untuk menyimpan spektrum NMR oleh

•

• • •

scanning frekuensi atau medan magnet adalah /R, dimana  adalah lebar spektra yang discan dan R adalah resolusi yang diperlukan Untuk 1H-NMR hanya memerlukan waktu beberapa menit karena lebar(kisaran) spektranya kecil, tetapi 13C-NMR geseran kimianya lebih besar sehingga waktu scan lebih lama. Contoh jika kisaran 5kHz dan resolusi 1Hz diperlukan, waktu sekitar 5000s/1 atau 83 menit, terlalu lama untuk analisis rutin Dalam FT NMRfrekuensi RF diberikan ke sampel sebagai pulsa radiasi pendek dalam waktu singkat Pada instrumen NMR modern, medan B1 diberikan sebagai pulsa pada waktu singkat (10s) dengan beberapa detik antar pulsa

Percobaan FT NMR • Keuntungan:

spektrum diambil dari single pulse  memperkecil pelebaran pita • Saat sinyal FID sangat kecil, scanning dapat dilakukan kembali dengan cepat • Sinyal meningkat secara linier tapi noise meningkat sebanyak akar jumlah pembacaan  meningkatkan S/N, sensitivitas

Agenda Pendahuluan Percobaan FT-NMR Geseran Kimia Coupling spin-spin Instrumentasi Aplikasi Analitik Teknik NMR Hypenated

10

2014/12/8

Geseran Kimia

Geseran Kimia

• Persamaan Larmor: posisi proton dalam sampel yang diberikan

• Inti terlindungi beresonansi

medan magnet akan mengabsorb frekuensi tertentu

• Proton dalam lingkungan kimia berbeda menyerap pada •

•

• •

frekuensi sedikit berbeda Contoh etanol CH3CH2OH yang memiliki 3 jenis atom hidrogen dengan lingkungan kimia yang berbeda. Tiap inti dikelilingi oleh orbital elektron yang berbeda, dan orbital elektron berbeda bentuk dan densitas elektronnya. Ketika diberikan medan Bo, inti akan berotasi pada medan Bo. Rotasi menghasilkan medan magnet kecil sebesar Bo yang berlawanan dengan medan Bo. : konstanta skrining atau konstanta dhield diamagnetik Inti dilindungi sedikit oleh orbital elektron dari medan magnet Perlindungan bergantung pergerakan elektron yang disebabkan oleh medan magnet  B effective = Bo - Bo

atau mengabsorpsi pada frekuensi lebih kecil dibandingkan yang tidak terlindungi • Geseran kimia diukur relatif terhadap standar inti. Standar proton yang popular: tetrametilsilan (TMS)12 atom hidrogen ekuivalen secara kimia memberikan puncak single. R: frekuensi reference, S: frekuensi inti spesifik

Geseran Kimia

11

2014/12/8

Geseran Kimia Rentang rata-rata geseran kimia (Chemical Shift) untuk proton dalam tipe molekul berbeda

Type of Proton

• Nilai Geseran Kimia (Chemical Shift) masing-masing hidrogen nonekivalen memberikan sinyal yang khas sepanjang x-axis. Perbedaan energi diskret antara sinyal-sinyal diukur dalam satuan δ (ppm). data ini memberikan petunjuk langsung tentang jumlah dan jenis hidrogen dalam molekul dan petunjuk tak langsung tentang bagaimana karbon, nitrogen, oksigen dan atom-atom lain terikat.

Cyclopropane Primary Secondary Tertiary Vinylic Acetylenic Aromatic Benzylic Allylic Fluorides Chlorides Bromides Iodides Alcohols Ethers Esters Esters Acids Carbonyl Compounds Aldehydic Hydroxylic Phenolic Enolic Carboxylic Amino

Structure

C3H6 R-CH3 R2-CH2 R3-C-H C=C-H triple bond,C=C-H Ar-H Ar-C-H C=C-CH3 H-C-F H-C-Cl H-C-Br H-C-I H-C-OH H-C-OR RCOO-C-H H-C-COOR H-C-COOH H-C-C=O R-(H-)C=O R-C-OH Ar-OH C=C-OH RCOOH RNH2

Chemical Shift, ppm 0.2 0.9 1.3 1.5 4.6-5.9 2-3 6-8.5 2.2-3 1.7 4-4.5 3-4 2.5-4 2-4 3.4-4 3.3-4 3.7-4.1 2-2.2 2-2.6 2-2.7 9-10 1-5.5 4-12 15-17 10.5-12 1-5

12

2014/12/8

Agenda Pendahuluan Percobaan FT-NMR Geseran Kimia Coupling spin-spin Instrumentasi Aplikasi Analitik Teknik NMR Hypenated

13

MAGNETIK RESONANS INTI (MRI)

Recommend Documents