BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Nuclear Magnetic Resonance (NMR) adalah salah satu metode analisis yang paling mudah digunakan pada kimia modern. NMR digunakan untuk menentukan struktur dari komponen alami dan sintetik yang baru, kemurnian dari komponen, dan arah reaksi kimia. Spektrokopi NMR khususnya digunakan pada studi molekul organik karena biasanya membentuk atom hidrogen dengan jumlah yang sangat besar. Pada spektrum hidrogen NMR menghadirkan beberapa resonansi yang menjelaskan pertama bahwa molekul yang dipelajari mengandung hidrogen. Kedua, jumlah pita dalam spektrum menunjukkan bagaimana beberapa posisi yang berbeda pada molekul dimana hidrogen melekat/menempel. Frekuensi dari beberapa resonansi utama pada spektrum NMR menunjukkan perubahan kimia. Ini sangat penting untuk menduga bagian dari spektrum NMR yang mengandung informasi tentang lingkungan masing-masing atom hidrogen dan struktur dari komponen yang dipelajari. Informasi ketiga bahwa sebuah spektrum NMR menentukan perbandingan luas/daerah pita yang berbeda, ini menjelaskan jumlah atom hidrogen yang relatif yang keluar pada masingmasing posisi pada molekul yang diperoleh. Perbandingan ini petunjuk/bukti langsung struktur dari struktur molekul dan harus mutlak sesuai untuk beberapa struktur yang diusulkan sebelum struktur tersebut kemungkinan dipertimbangkan benar. Struktur kompleks pita-pita dapat mengandung informasi tentang jarak yang memisahkan beberapa atom hidrogen yang melewati ikatan kovalen dan penyusun spasial atom hidrogen yang melekat pada molekul, termasuk struktur dasarnya. Struktur dasar menunjukkan pembungkusan atau penggabungan molekul yang memiliki ikatan yang panjang, seperti struktur spiral DNA. Struktur kompleks pita NMR pada mulanya spin coupling diantara beberapa atom hidrogen. Penggabungan ini merupakan perputaran fungsi jarak melintasi ikatan dan geometri molekul. Dalam kasus molekul kecil, pita yang kompleks mungkin disimulasikan tepat dengan perhitungan mekanika kuantum atau didekati menggunakan mekanika kuantum yang sesuai dengan aturan.
1.2 Tujuan a. Memenuhi tugas mata kuliah Kimia Analisis II b. Mengetahui dan memahami Spektrofotometri NMR
1.3 Rumusan Masalah a. Apa yang dimaksud dengan spektrofotometer NMR? b. Apa saja komponen dari instrumen spektrofotometer NMR? c. Bagaimana prinsip kerja spektrofotometer NMR? d. Bagaimana pengaplikasian spektrofotometer NMR?
1
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Spektrofotometri NMR Fenomena Resonansi Magnetik Inti (RMI) atau nucleic magnetic resonance (NMR) pertama kali diperkenalkan pada tahun 1946 oleh dua kelompok fisikawan yang bekerja secara terpisah, yaitu Edward Purcell dari Harvard University dan Felix Bloch dari Standford University. Penggunaan spektrofotometer NMR ini berkembang dengan cepat. Pada tahun 1960, teknik ini sudah menjadi metode yang penting untuk elusidasi struktur. Spektrofotometri NMR adalah salah satu teknik utama yang digunakan untuk mendapatkan informasi fisik, kimia, elektronik dan tentang struktur molekul. Spektrofotometri NMR pada dasarnya merupakan spektrofotometri absorbsi, sebagaimana spektrofotometri infra merah maupun spektrofotometer ultraviolet. Pada kondisi yang sesuai, suatu sampel dapat mengabsorpsi radiasi elektromagnetik daerah frekuensi radio, pada frekuensi yang tergantung dari sifat-sifat sampel. Suatu plot dari frekuensi puncakpuncak absorbsi versus intensitas puncak memberikan suatu spektrum NMR. NMR digunakan untuk menentukan struktur dari komponen alami dan sintetik yang baru, kemurnian dari komponen, dan arah reaksi kimia sebagaimana hubungan komponen dalam larutan yang dapat mengalami reaksi kimia. Spektroskopi NMR merupakan alat yang dikembangkan dalam biologi structural. Dasar dari spektroskopi NMR adalah absorpsi radiasi elektromagnetik dengan frekuensi radio oleh inti atom. Frekuensi radio yang digunakan berkisar dari 0,1 sampai dengan 100 MHz. Bahkan, baru-baru ini ada spektrometer NMR yang menggunakan radio frekuensi sampai 500 MHz. Inti proton (atom hidrogen) dan karbon (karbon 13) mempunyai sifat-sifat magnet. Bila suatu senyawa mengandung hidrogen atau karbon diletakkan dalam bidang magnet yang sangat kuat dan diradiasi dengan radiasi elektromagnetik maka inti atom hidrogen dan karbon dari senyawa tersebut akan menyerap energi melalui suatu proses absorpsi yang dikenal dengan resonansi magnetik. Absorpsi radiasi terjadi bila kekuatan medan magnet sesuai dengan frekuensi radiasi elektromagnetik. Proton tunggal 1H adalah isotop yang paling penting dalam hidrogen. Isotop ini melimpah hampir 100% dan jaringan hewan mengandung 80% air. 1H memproses momen magnetik yang besar dari nuclei yang penting secara biologi. Ketika pada medan magnet konstan, frekuensi NMR dari nuclei hanya bergantung pada momen magnetnya, frekuensi 1H paling tinggi pada spektrometer yang sama. Sebagai contoh, pada spektrometer 360 MHz untuk 1H, frekuensi untuk 31P adalah 145,76 MHz dan untuk 13C adalah sekitar 90 MHz. 13C adalah isotop karbon yang dapat digunakan untuk NMR. Di alam hanya ada 1,1%. Oleh karena itu, spektrum 13C yang diperoleh membutuhkan banyak waktu. Disamping itu spektrum 13C lebarnya adalah 200 ppm, yang identifikasinya mudah diperoleh pada
2
metabolisme jaringan. Sensitivitas spektroskopi proton-observed served carbon-edited carbon-edited . spektroskopi proton-ob
13C dapat
ditingkatkan
dengan
2.2 Komponen pada Spektrofotometer NMR Instrumen NMR terdiri atas komponen-komponen utama berikut: a.
Magnet Akurasi dan kualitas suatu alat NMR tergantung pada kekuatan magnetnya. Resolusi akan bertambah dengan kenaikkan kekuatan medannnya, bila medan magnetnya homogen elektromagnet dan kumparan superkonduktor (selenoids). Magnet permanen mempunyai kuat medan 7046-14002 G, ini sesuai dengan frekuensi oskilator antara 30-60 MHz. Termostat yang baik diperlukan karena magnet bersifat peka terhadap temperatur. Elektromagnet memerlukan sistem pendingin, elektromagnet yang banyak di pasaran mempunyai frekuensi 60, 90 dan 100 MHz untuk proton. NMR beresolusi tinggi dan bermagnet superkonduktor dengan frekuensi proton 470 MHz. Pengaruh fluktuasi medan dapat diatasi dengan sistem pengunci frekuensi, dapat berupa tipe pengunci eksternal atau internal. Pada tipe eksternal wadah senyawa pembanding dengan senyawa sampel berada pada tempat terpisah, sedang pada tipe internal senyawa pembanding larut bersama-sama sampel. Senyawa pembanding biasanya tetrametilsilan (TMS).
b.
Generator medan magnet penyapu Suatu pasangan kumparan terletak sejajar terhadap permukaan magnet, digunakan untuk mengubah medan magnet pada suatu range yang sempit. Dengan memvariasikan arus searah melalui kumparan ini, medan efektif dapat diubah-ubah -3 dengan perbedaan sekitar 10 gauss. Perubahan medan ini disinkronisasikan secara linier dengan perubahan waktu. Untuk alat 60 MHz (proton), range sapuannya adalah -3 19 13 235 x 10 gauss. Untuk F , C , diperlukan sapuan frekuensi sebesar 10 KHz.
c.
Sumber frekuensi radio Sinyal frekuensi oskilasi radio (transmiter) disalurkan pada sepasang kumparan yang possinya 90º terhadap jalar dan magnet. Suatu oskilator yang tetap sebesar 60, 90 atau 100 MHz digunakan dalam NMR beresolusi tinggi.
d.
Detektor sinyal Sinyal frekuensi radio yang dihasilkan oleh inti yang beresolusi dideteksi dengan kumparan yang mengitari sampel dan tegak lurus terhadap sumber. Sinyal listrik yang dihasilkan lemah dan biasanya dikuatkan dulu sebelum dicatat.
e.
Perekaman (Rekorder) Pencatat sinyal NMR disinkronisasikan dengan sapuan medan, rekorder mengendalikan laju sapuan spektrum. Luas puncak dapat digunakan untuk menentukan jumlah relatif inti yang mengabsorpsi.
3
f.
Tempat sampel dan kelengkapannya (Tempat sampel dan probe) Tempat sampel merupakan tabung gelas berdiameter 5mm dan dapat diisi cairan sampai 0,4 ml. Probe sampel terdiri atas tempat kedudukan sampel, sumber frekuensi penyapu dan kumparan detektor dengan sel pembanding. Detektor dan kumparan penerima diorientasikan pada 90º. Probe sampel menggelilingi tabung sampel pada ratusan rpm dengan sumbu longitudinal.
Untuk NMR beresolusi tinggi, sampel sampel tidak tidak boleh boleh terlalu kental. Biasanya digunakan konsentrasi larutan 2-15%. Pelarut yang baik unutk NMR sebaiknya tidak mengandung proton seperti CS2, CCl4 . Pelarut – pelarut berdeuterium juga sering digunakan seperti CDCl3 atau C6D6.
2.3 Prinsip Kerja Spektrofotometer NMR Metode spektroskopi 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 4600 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.
2.4 Kegunaan Spektrofotometer 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 4
memahami struktur dan fungsi asam nukleat dan protein. Teknik ini dapat digunakan untuk berbagai variasi sampel, dalam bentuk padat atau pun larutan.
2.5 Aplikasi Spektrofotometer NMR a.
Bidang Kedokteran Spektroskopi NMR merupakan alat yang dikembangkan dalam biologi struktural. NMR manjadi sebuah teknik alternatif selain kristalografi X-Ray, untuk memperoleh informasi struktur dan resolusi dinamik atomik dan studi interaksi molekuler dari makromolekul biologi pada kondisi larutan secara fisiologi. Usaha sangat penting untuk memperluas aplikasi NMR untuk sistem molekul yang lebih besar, karena jumlah yang lebih besar secara biologi dibutuhkan kompleks makromolekul dan makromolekuler yang memiliki massa molekuler melebihi range yang sacara prakis digunakan untuk spektroskopi NMR konvensional dalam larutan. Peningkatan ukuran ini memberikan batasan, contohnya, penentuan struktur protein yang tidak dapat dikristalkan, termasuk membran protein integral, penelitian interaksi molekuler melibatkan molekul besar dan penghimpunan makromolekuler, dan penentuan struktur dari oligonukleotida yang lebih besar dan kompleks dengan protein.
b.
Bidang Biologi Molekuler NMR pada biologi melekuler dilakukan pada sample dalam bentuk larutan yang terlebih dahulu dilakukan pemurnian atau ekstraksi. Dengan NMR dapat diketahui struktur molekulernya dan perubahan yang terjadi ketika mendapat ganguan dari luar (rangsangan, penyakit atau penambahan zat lain). Untuk protein dan protein komplek dengan massa molekuler sekitar 25-30 kDa kualitas spektra menurun dengan cepat membatasi mayor A ketika bekerja dengan makromolekul besar yang berasal dari kecepatan relaksasi tinggi signal NMR, menyebabkan garis tajam yang melebar, yang berpindah menuju resolusi spektra yang lebih sedikit dan perbandingan signal-to-noise yang rendah. Banyak peningkatan kualitas spektra NMR dari biologi makromolekuler dengan massa molekuler sekitar diatas 25 kDa dapat diperoleh dengan deuterasi, teknik yang telah dipakai dalam biologi NMR selama lebih dari 30 tahun. Dikombinasikan dengan label 15N dan 13C, label 2H mengalami pemulihan yang sangat mengesankan sekitar 10 tahun yang lalu dan telah menjadi alat yang paling penting untuk menentukan struktur yang lebih besar dalam larutan.
c.
Studi Larutan NMR pada Protein Membran Protein membran berperan pada beberapa fungsi fisiologi yang penting, dan dalam membentuk kunci target obat-obatan. Studi struktural protein membran oleh Xray crystallography atau oleh NMR spektroskopi lebih sulit daripada untuk protein yang dapat dilarutkan. Karena sistem membran yang nyata terlalu besar untuk diteliti dengan ekperimen larutan NMR, protein membran sering diencerkan dalam detergen 5
misel. Dari sistem micellar , spektra dapat diperoleh menggunakan TROSY ( Transverse Relaxation-Optimized Spectroscopy ). ). Membran protein dalam detergen/lemak misel menghasilkan sedikit resonansi NMR dan sinyal overlap berkurang daripada protein globular dari massa molekuler yang sama. Walaupun molekul detergen dapat menunjukkan fraksi yang besar dari keseluruhan massa yang besar dari pencampuran misel, pelabelan isotop yang sesuai seperti tanda 13C, 15N dari protein dan atau menggunakan detergen deuterasi, memastikan bahwa sinyal NMR protein dapat dideteksi dengan besar atau tanpa interferensi dari sinyal molekul detergen.
6
BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan a.
Spektrofotometri NMR adalah salah satu teknik utama yang digunakan untuk mendapatkan informasi fisik, kimia, elektronik dan tentang struktur molekul dimana pada kondisi yang sesuai, suatu sampel dapat mengabsorpsi radiasi elektromagnetik daerah frekuensi radio, pada frekuensi yang tergantung dari sifat-sifat sampel.
b.
Komponen yang terdapat dalam spektrofotometer NMR adalah magnet, generator medan magnet penyapu, sumber frekuensi radio, detektor sinyal, rekorder, tempat sampel dan probe sampel.
c.
Metode spektroskopi jenis NMR 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.
d.
Spektrofotometer NMR ini dapat diaplikasikan dalam bidang kedokteran, biologi molekuler, dan studi larutan NMR pada protein membran.
7
DAFTAR PUSTAKA Khopkar, S.M., 2003, Konsep Dasar Kimia Analitik , UI-Press, Jakarta. Sastrohamidjojo, H., 1994, Spektroskopi Resonansi Magnetik Inti (Nuclear Magnetic Resonance, NMR), Liberty, Yogyakarta.
8
