magnetik resonans inti (mri) - ipb · pdf file2014/12/13 1 agenda pendahuluan • percobaan...
TRANSCRIPT
2014/12/13
1
Agenda
Pendahuluan
Percobaan FT-NMR
Geseran Kimia
Coupling spin-spin
Instrumentasi
Aplikasi Analitik
Teknik NMR Hypenated
Kopling Spin-Spin
• Butanal pada NMR resolusi rendah:
• 4 geseran kimia (a-d). Fokus pada proton tipe c dan d
• Proton tipe c adalah 2 proton metilena dekat gugus aldehida
• Proton tipe d adalah proton tunggal pada karbon aldehida
Kopling Spin-spin
• Proton pada CHO (d) akan spinning dengan (sesuai)
atau melawan medan magnet yang diberikan
• Proton CH2 di sebelah proton CHO melakukan spin
dengan mengabsorpsi sesuai medan pada frekuensi
berbeda dari proton CH2 di sebelah CHO yang melakukan
spin berlawanan medan magnet
• Proton CHO pecah (split) puncak absorpsinya untuk
proton pada gugus CH2 menjadi 2 puncak absorpsi
dengan intensitas sama (rasio 1:1)
Kopling Spin-Spin
2014/12/13
2
Kopling Spin-Spin
• Proton H dari aldehida dipengaruhi oleh 2H dari CH2 dan
menyerap 3 frekuensi yang sedikit berbeda dengan
intensitas relatif 1:2:1
• Spliting puncak memiliki tinggi relatif mengikuti segitiga
pascal
Jumlah puncak(multiplisitas)=2nl+1
n: jumlah atom hidrogen ekuivalen pada atom karbon tetangga, l:
bilangan kuantum spin (untuk H; l= ½ ) disederhanakan menjadi
Jumlah puncak = n+1
n n+1 pola Rasio puncak
0 1 singlet (s) 1
1 2 doublet (d) 1 : 1
2 3 triplet (t) 1 : 2 : 1
3 4 quartet (q) 1 : 3 : 3 : 1
4 5 pentet (p) 1 : 4 : 6 : 4 : 1
5 6 multiplet (m)
Kopling Spin-Spin
Kopling Spin-Spin
• Jika 2 gugus berbeda menyebabkan splitting, jumlah
puncak (multiplisitas) menjadi: (2nl+1)(2n’l+1), n untuk
tetangga yang satu dan n’ tetangga lainnya.
Split menjadi
(2+1)(1+1) = 6
2014/12/13
3
Hanya 1 puncak
proton pd
benzena Terdapat
2 tipe
proton
Jelaskan splitingnya
2014/12/13
4
Kopling spin-spin
• Jarak pemisahan dua puncak yang melakukan spliting ditentukan dari kekuatan interaksi magnetik antara inti tersebut dan inti yang melakukan spliting yang dikenal dengan konstanta kopling (J) dalam satuan Hz.
• Untuk inti coupled A dan B ditulis JAB.
• CH3—CH2—CH2—CH3
• A B C D
• Konstanta kopling antara proton pada karbon A = 0
• JAB sebesar 6-8Hz
• JAC1, dan JAD sangat kecil sehingga diabaikan
• Jika satu ikatan C—C diganti menjadi C=C, J untuk cis sebesar 7-10Hz, trans: 12-19Hz
Kopling Spin-Spin
• Untuk menentukan struktur yang agak sulit dapat digunakan interaksi menggunakan nilai J spektra orde pertama
• Untuk sistem yang lebih rumit dapat menggunakan spektra orde kedua atau yang lebih tinggi
• Contoh: sistem A2B3: ada 2 tipe inti yang saling berinteraksi yaitu 2 dengan tipe A dan 3 tipe B
• Untuk sistem AB nilai /J akan kecil. A menggambarkan atom yang lemah atau tidak ada kopling
• Sistem A2X 2 proton tipe A yang kopling lemah dengan satu proton tipe X.
• Jika nilai /J menurun pola splitingnya menjadi kompleks
2014/12/13
5
Kopling Spin-Spin
• Aturan menginterpretasi spektra proton orde pertama:
1. Spin kopling suatu proton yang ekuivalen dengan
proton lain menghasilkan n+1 puncak yang dipisahkan
oleh J Hz, dimana J adalah konstanta kopling.
Intensitas relatif mengikuti ekspansi binomial (r+1)n.
2. Jika proton berinteraksi dengan 2 set proton yang
berbeda multiplisitas.
3. Proton ekuivalen tidak split satu dengan lainnya.
perlu spektra orde kedua
Agenda
Pendahuluan
Percobaan FT-NMR
Geseran Kimia
Coupling spin-spin
Instrumentasi
Aplikasi Analitik
Teknik NMR Hypenated
INSTRUMENTASI
- Kekuatan medan magnet
lebih dari 7000 G
- Dapat menentukan
struktur molekul yg
berhubungan dengan
puncak absorpsi dari inti
atom
Misal : jumlah proton, kedudukan
proton, tipe proton dalam suatu
molekul
- continuous wave (CW) atau flied sweep instruments
- Kekuatan medan magnet
beberapa ribu Gauss
- Analisis kuantitatif unsur-
unsur dan mempelajari
sifat fisik lingkungan dari
suatu inti
Resolusi Tinggi Resolusi
Rendah
DIAGRAM SPEKTROMETER NMR
KLASIK/continuous wave
2014/12/13
6
DIAGRAM SPEKTROMETER NMR
KLASIK/continuous wave DIAGRAM
SPEKTRO
METER
FT-NMR
DIAGRAM SPEKTROMETER NMR
2014/12/13
7
DIAGRAM FOURIER TRANSFORM NMR
DENGAN MAGNET SUPERKONDUKSI Instrumentasi
Sample holder
Sample holder
Magnet
Generator frekuensi radio dan deteksi
Integrator sinyal dan komputer
Wide-line benchtop NMR & portable NMR
Sample Holder
• Tempat sampel biasanya berbentuk tabung tabung sampel
• Syarat: • transparant untuk radiasi RF
• Tahan lama
• Inert secara kimia
• Terletak di antara dua kutub magnet.
• Dapat diputar pada sumbunya
• Biasanya berupa tabung silinder pyrex dengan panjang 6-7 inci diameter 5 mm, berisi sekitar 0,4 mL cairan, dengan tutup plastik
• Ukuran lain: untuk 40L (nanoprob)
• Flow-through cell umum untuk hyphenated technique spt HPLC-NMR
5 mm NMR
sample tube
RF energy
upper level
of NMR
solution
2014/12/13
8
Sample Probe
• Alat untuk menempatkan tempat sampel di medan magnet dengan tepat.
• Terdapat turbin udara ke sample holder spin ketika sinyal dikumpulkan dan koil untuk transmisi dan deteksi sinyal NMR
• Probe adalah jantung sistem NMR
• Bagian paling penting:transmisi FR dan kumparan penerima
• Terdiri dari :
-tempat sampel
-kumparan FR
-kumparan Detektor FR
Sample Probe
1.4 Tesla TD-NMR - 5mm Probe operating at 60 MHz for 1H
2014/12/13
9
Sample Probe
• Probe NMR modern:
• Menggunakan satu kumparan kawat untuk mengeksitasi sampel
dan mendeteksi sinyal
• Kumparan mentransmisi pulsa Rf kuat ke sampel, pulsa dihentikan
dan kumparan yang sama mengambil sinyal FID saat inti relaksasi
• Untuk sensitivitas maksimum: probe dengan frekuensi tetap
diperlukan perlu probe yang berbeda untuk tiap inti yang dianalisis.
• Probe didesain untuk berbagai frekuensi tetapi sensitivitas,
power, dan kualitasnya spektranya turun.
• Probe untuk penelitian resonansi ganda memerlukan dua
kumparan sebagai sumber 2 RF
• Probe untuk resonansi triple dengan gradien yang banyak
untuk cairan, padatan dan penelitian flow
NMR Sample Position (prior to release into probe)
Liquid Helium -269°C (4.2 K)
Liquid Nitrogen -196°C (77.4 K)
NMR sample positioned
at top of probe
Superconducting magnets
require continuous cooling.
Magnet harus kuat, stabil dan menghasilkan medan yang homogen
Sensitivitas dan resolusi dari spektrometer NMR bergantung pada kekuatan dan kualitas magnet.
Dengan bertambah kekuatan magnet, sensitivitas dan resolusi bertambah.
Magnet Jenis magnet pada spektrometer NMR: Jenis magnet pada spektrometer NMR:
1. Magnet Pokok
Kekuatan medan magnet : 7046 G
Frekuensi absorpsi proton : 30 MHz
Sangat sensitif terhadap perubahan suhu, sehingga
diperlukan adanya termostat
2. Elektromagnetik
Kekuatan medan magnet : 14092 G, 21140 G, 23490 G
Frekuensi absorpsi proton : 60 MHz, 90 MHz, 100 MHz
Relatif tidak sensitif terhadap perubahan suhu
Diperlukan sistem pendingin (cairan helium dan cairan
nitrogen) untuk mengubah panas yang ditimbulkan akibat
arus listrik yang besar
2014/12/13
10
3. Magnet Superkonduktor
Magnet selenoid terdiri atas kumparan medan yang dibuat dari Nb/Sn atau Nb/Ti superkonduktor dengan kumparan (shim coild) superkonduksi di sekeliling kumparan utama untuk meningkatkan kehomogenan medan
Kekuatan medan magnet : 110390 G
Frekuensi absorpsi proton : 470 MHz
NMR beresolusi tinggi
Jenis magnet pada spektrometer NMR: Jenis magnet pada spektrometer NMR:
Spin State Energy Differences
vs. Magnetic Field Strength
Spin State Energy Differences
vs. Magnetic Field Strength
0 4.7 9.4
Energy
Magnetic field strength, B0 (Tesla)
E
200 MHz
for 1H
a spin
state
b spin
state
E
400 MHz
for 1H
High Field NMR
• increased sensitivity
• increased resolution
randomly oriented nuclei
(no magnetic field)
• Bejana likuid helium terbuat dari stainless steel dengan lapisan setebal 1.6
mm, dan dibungkus dengan selembar kertas alumunium yang berfungsi
untuk pelindung radiasi pemanasan yang lebih rendah.
• Bejana Likuid Nitrogen ditambahkan harus ada untuk menurunkan kehilangan akibat evaporasi likuid He. Bejana ini terbuat kira-kira 4.8mm aluminium. Pada waktu beroperasi normal ruang ini diisi dengan likuid nitrogen, sebagai jalan untuk pemberi muatan timah magnet. Likuid nitrogen disimpan di atas magnet karena merupakan bahan pendingin murah yang berfungsi sebagai penghalang radisasi infra merah dari daerah yang manjangkau bejana helium
• Magnet superkonduksi merupakan kawat atau dawai yang terbuat dari
tembaga-clad niobium-titanium alloy. Magnet terdiri dari 12 mil atau 19 km
kawat superkonduksi.
• Refractive Myler berfungsi sebagai penyekat, dengan memantulkan
pancaran panas infra merah yang dihasilkan dari suhu permukaan ruang.
Magnet
2014/12/13
11
Magnet
• Untuk mengatur homogenitas medan dilakukan proses
shimming yang memerlukan waktu, namun saat ini
sudah dioperasikan oleh komputer.
• Kekuatan medan magnet dibuat konstan dengan
frequency locking circuit. Circuit digunakan untuk
memonitor inti pada frekuensi resonasi konstan
• Ukuran tempat sampel (bore) ditentukan oleh ukuran
sampel yang akan diukur.
• Bore mengandung udara untuk sampel berubah dan
spinning pada sampel holder dalam medan magnet
Generator FR dan Detektor
Radiasi RF dihasilkan dengan menggunakan osilator kristal RF. Output osilator diperbesar dicampur dan disaring untuk menghasilkan radiasi RF monokromatis.
Osilator rangkaian elektronik yang berfungsi sebagai pembangkit frekuensi tinggi
Radiasi RF diberikan ke sampel adalah pulsa. Suatu pulsa tunggal untuk pulsa 500MHz selama 10 s.
Proses pulsa sebenarnya memperbesar pita RF, menyediakan berbagai frekuensi yang mampu membangkitkan semua inti yang beresonansi. Semua resonansi pada pita ini terjadi secara simultan.
Programmer pulsa diperlukan untuk mengatur waktu dan bentuk pulsa RF yang digunakan untuk mengeksitasi sampel.
Sinyal dari osilator FR masuk ke dalam sepasang kumparan yang letaknya tegak lurus dengan medan magnet. Osilator digunakan dengan frekuensi tertentu misalnya 60, 90, atau 100 MHz. Pada spektrometer NMR resolusi tinggi, ferekuensi harus konstan. Output dari osilator FR lebih kecil dari 1 watt dan harus tetap konstan sampai 1 % selama jangka waktu tertentu.
Generator FR dan Detektor
Gelombang pulsa kotak (square) paling sering digunakan, tetapi percobaan multipulsa dan 2D NMR dengan bentuk pulsa yang lain juga ada.
Seluruh sinyal dikumpulkan secara simultan.
Pulsa RF biasanya disampaikan dalam satuan watt sedangkan sinyal NMR dikumpulkan dalam satuan mikrowatt.
Sinyal FID dalam domain waktu harus dikonversi pada domain frekuensi dengan Fourier transformasi atau sistem transformasi matematika lainnya.
2014/12/13
12
Detektor FR
Letak kumparan detektor FR tegak lurus dengan
kumparan osilator FR .
Bila radiasi diserap maka putaran ini akan menghasilkan
signal dengan frekuensi radio (FR) pada kumparan
detektor.
Signal FR yang dihasilkan biasanya kecil dan harus
diperkuat dengan faktor 10 pangkat 5 atau lebih sebelum
dicatat atau direkam pada rekorder sebagai sinyal
resonansi atau puncak
Integrator sinyal dan komputer
Recorder adalah alat perekam
Saat ini data banyak disimpan dalam komputer
Respon yang dihasilkan pada detektor dicatat atau direkam
dengan signal resonansi atau puncak.
Kertas rekorder bergerak dari kiri ke kanan sesuai dengan
kenaikan kekuatan medan magnet.
Setiap tipe proton akan mengalami resonansi dan dicatat
pada kertas rekorder sebagai puncak-puncak
Agenda
Pendahuluan
Percobaan FT-NMR
Geseran Kimia
Coupling spin-spin
Instrumentasi
Aplikasi Analitik
Teknik NMR Hypenated
Aplikasi Analitik
• Preparasi sampel untuk NMR
bufer yang dipilih? Isotopic labeling?
Best temperature?
Sample Position ?
Sebagian besar pengukuran spektrum NMR, senyawa-senyawa
dilarutkan dalam suatu pelarut. Oleh karena itu, akan teramati sinyal-
sinyal dari pelarut dan hal ini akan menjelaskan penyelesaian masalah
spektrum.
Syarat pelarut untuk 1H-NMR haruslah tidak mengandung proton.
Contoh:
Deuteriokloroform (CDCl3) 7,26 ppm (s) sebagai pengganti
Kloroform (CHCl3).
CHD2OD 3,31 ppm (p) sebagai pengganti metanol (CH3OH).
2014/12/13
13
Aplikasi Analitik
• Persiapan sampel
Aplikasi Analitik
• Analisis kuantitatif
• Hubungan luas puncak dan struktur molekul:
• Luas puncak ditentukan oleh integral (secara otomatis)
• Besarnya integral menggambarkan jumlah proton secara relatif
terhadap yang lain
• Besar puncak bisa saja kecil namun integralnya sama dengan yang
besar jika puncak tersebut splitting memberikan banyak puncak tapi
tinggi puncaknya rendah
• Perubahan kimia
• Adanya ikatan hidrogen akan memberikan sifat yang berbeda dari
proton
• Laju perubahan sinyal akan bergantung pada suhu, perubahan akan
semakin besar dengan semakin besarnya suhu
Interpretasi Spektra Proton
Interpretasi Spektra Proton
2014/12/13
14
Informasi yang diperoleh dari spektrum 1H-NMR
antara lain:
• Nilai Geseran Kimia (Chemical Shift)
• Spin-spin Coupling
• Integrasi
Interpretasi Spektra 1H-NMR • 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.
Nilai Geseran Kimia (Chemical Shift)
• Tipe proton menerangkan lingkungan magnet
dari setiap macam proton.
Tipe proton yang berbeda mempunyai nilai
pergeseran kimia yang berbeda.
contoh:
Alkil primer 0,8 – 1,0 ppm
Alkil sekunder 1,2 – 1,4 ppm
• Jumlah sinyal proton menerangkan berapa
macam proton yang terdapat dalam suatu
senyawa.
Nilai Geseran Kimia (Chemical Shift)
• Jumlah sinyal proton menerangkan berapa
macam proton yang terdapat dalam suatu
senyawa.
Dua atau lebih proton dengan lingkungan
magnet yang sama akan mempunyai nilai
pergeseran kimia yang sama dan hanya
menghasilkan satu sinyal proton NMR. Proton-
proton dengan lingkungan magnet yang berbeda
artinya tidak ekivalen, mempunyai nilai
pergeseran kimia yang berbeda
2014/12/13
15
• Spin-spin Coupling
Nilai Coupling Constant (J)
Ph H
C
HO
H O
12 - 18 Hz
H H
C
HO
Ph O
6 - 11 Hz Hz
HPh
C
OH
HO
0 - 3 Hz Hz
H
H
H
H
HH
7.5 Hz (Ortho)
1.5 Hz (metha)
0.8 Hz (para)
N
H
H NN
5.5 Hz H
H
1.6 Hz
H
H
7.6 Hz
N
H
0.9 Hz
H
• Spin-spin Coupling
Nilai Coupling Constant (J)
H
H
H H
H
H
8.3 Hz
1.3 Hz0.7 Hz
• Integrasi
Nilai integrasi ini menerangkan jumlah proton
dari setiap sinyal atau tipe proton.
8.8 Hz 8.8 Hz 10 Hz 10 Hz
A
6,93 (d, 8,8 Hz)8,0 (d, 8,8)H
H
D
6,62 (d, 10 Hz)
5,56 (d, 10 Hz)
1,53 (6H, s)
O
H
H
2014/12/13
16
2014/12/13
17
2014/12/13
18
2014/12/13
19
2014/12/13
20
Agenda
Pendahuluan
Percobaan FT-NMR
Geseran Kimia
Coupling spin-spin
Instrumentasi
Aplikasi Analitik
Teknik NMR Hypenated
Teknik NMR Hypenated
• HPLC NMR
• GC-NMR
• NMR Imaging dan MRI
TERIMA KASIH