MAKALAH KIMIA ANALISIS Nuclear Magnetic Magnetic Resonance Resonance (NMR)
Disusun oleh : Ahmad Jihad
(I0517004)
Annisa Yustika M. P.
(I0517011)
Eudia Novianty Putri
(I0517024)
TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2017
1
A. Latar Belakang
Spektroskopi adalah ilmu yang mempelajari materi dan atributnya berdasarkan cahaya, suara atau partikel yang dipancarkan, diserap atau dipantulkan. Spektroskopi juga dapat didefinisikan sebagai ilmu yang mempelajari interaksi antara cahaya dan materi. Spektroskopi nuklir magnetik resonansi atau nuclear magnetic resonance (NMR) melibatkan perubahan keadaan perputaran momen nuklir magnetik, ketika intinya mengabsorpsi radiasi elektromagnetik dalam suatu medan magnet yang kuat. Dua jenis spektroskopi yang dipakai sekarang adalah NMR H 1 (proton) dan NMR C 13(karbon 13). Spektrum nmr proton sangat berguna untuk menentukan bagian hidrogen dari suatu senyawa. Pada tahun-tahun akhir ini, spektroskopi nmr proton dipakai sebagai alat standar dalam proyek kedokteran untuk mengukur berat jenis jaringan sehingga dapat menunjukkan tempat tumor pada jaringan tersebut. Spektroskopi nmr C 13, suatu alat paling baru dipakai untuk mengidentifikasi perbedaan macam – macam karbon dalam suatu senyawa. Spektroskopi nmr didasarkan pada penyerapan gelombang radio oleh inti – inti inti atom tertentu dalam molekul organik, apabila molekul ini berada dalam medan magnet yang kuat.
Blonch dan Purcell menemukan bahwa inti atom berorientasi terhadap medan magnet. Setiap proton di dalam molekul yang sifat kimianya berbeda akan memberikan garisgaris resonansi orientasi magnet yang berbeda. Ini adalah awal lahirnya Nuclear Magnetic Resonance (NMR).
2
B. Dasar Teori
Spektroskopi NMR (Nuclear Magnetic Resonance) merupakan salah satu jenis spektroskopi frekuensi radio yang didasarkan pada medan magnet yang berasal dari spin inti atom yang bermuatan listrik. Spektroskopi NMR adalah teknik penelitian yang memanfaatkan sifat magnetik inti atom tertentu untuk menentukan sifat fisik dan kimia dari atom atau molekul di mana mereka yang terkandung. Hal ini bergantung pada fenomena resonansi magnetik nuklir dan dapat memberikan informasi rinci tentang struktur, dinamika, negara reaksi, dan lingkungan kimia dari molekul. Nuclear Magnetic Resonance (NMR) adalah salah s atu 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 sebagaimana hubungan komponen dalam larutan yang dapat mengalami reaksi kimia [1,2]. Meskipun banyak jenis nuclei yang berbeda akan menghasilkan spektrum, nuclei hidrogen (H) secara histori adalah salah satu yang paling sering diamati. Spektrokopi NMR khususnya digunakan pada studi molekul organik karena bias anya membentuk atom hidrogen dengan jumlah yang sangat besar [3,4,5,6]. [ 3,4,5,6]. 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 masingmasing 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 masing-masing posisi pada molekul yang diperoleh.
3
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.
4
C. Prinsip kerja spektroskopi NMR
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
seny senya awa or ganik. ganik. .Jumlah dan tempat proton dalam molekul senyawa organik menentukan bentuk spektrum yang dihasilkan.Energi di hasilkan.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 p ada jenis inti yang diukurnya, NMR bermacam-macam ragamnya, misalnya NMR 1H, 13C, 19F.
Prinsip Dasar NMR
NMR ini sampai di awal 1970-an merupakan suatu teknik yang sangat berguna khususnya untuk di bidang fisika maupun kimia. Di bidang fisika biasanya menggunakan NMR Spectroscopy untuk mempelajari interaksi dari inti atom. Sedangkan untuk di bidang Kimia umumnya digunakan untuk menentukan struktur kimia dari suatu molekul yang kecil. Dengan perkembangan teknik yang sangat cepat seperti Fourier transform NMR, dan 2-dimensi dan 3-dimensi NMR, para ahli biokimia dan biofisika menggunakan metode ini untuk bisa menjelaskan struktur molekul yang lebih besar seperti Protein.
Gambar 1) Muatan inti yang menghasilkan Medan Magnet Gambar 1) diatas merupakan ilustrasi dari sebuah inti yang mempunyai nomor massa dan nomor atom yang ganjil. dimana setiap inti yang bernomor massa dan atom ganjil pastilah memiliki Spin Inti. Inti yang mempunyai Spin akan menghasilkan medan magnet. inti ini juga diilustrasikan sebagai 'bar magnet'.
5
Gambar 2) Atom bermuatan sama dengan 'bar magnet' Ilustrasi gambar 2) diatas merupakan spin proton yang diberi medan magnet luar, maka dia akan berperilaku seperti 'bar magnet'. di gambar sebelah kanan merupakan keadaan paling tidak stabil karena kutub yang sama berdekatan dan butuh energy yang besar untuk mempertahankan kondisi tersebut.
Gambar 3) Energi Level Spin Inti Jika inti atom diberi medan magnet atau energi dari luar, maka energi tersebut dapat diserap inti yang nantinya dapat merubah arah dari spin inti. Jika setiap proton menyerap energi dari medan magnet yang diberikan, maka tidak banyak informasi yang bisa didapat. Namun kenyataannya energi dari luar tersebut tidak dapat terabsorpsi sempurna, karena setiap proton pastilah dikelilingi oleh elektron. elektron yang mengelilingi proton akan melindungi dan berlawanan dari medan magnet luar.
6
Gambar 4) Besar Medan Magnet terhadap spin inti Gambar 4) menjelaskan bahwasannya untuk dapat memutar spin inti, maka dibutuhkan medan dari luar. Gambar 4) sebelah kiri menjelaskan jika proton tidak dikelilingi oleh elektron, sehingga medan dari luar terabsorpsi dan dapat memutar arah dari spin inti dan energi level pun akan naik. sedangkan yang tengah adalah ketika ada elektron yang berputar menutupi proton, sehingga medan dari luar tidak cukup mampu untuk memutar arah spinnya. sehingga butuh energi medan yang lebih besar lagi la gi untuk memutar memuta r arah spin walaupun proton dikelilingi dikelil ingi oleh elektron, seperti digambar paling kanan.
7
Gambar 5) sketsa alat NMR Gambar 5) merepresentasikan cara kerja dari NMR, dimana sample tube adalah objek yang ingin diketahui struktur dan interaksi dari suatu objek. dimana objek tersebut dikelilingi oleh medan magnet dari luar yang diberi suatu besaran tertentu. di samping itu input yang diberikan frekuensi radio dari luar dan langsung diberikan ke objek tersebut. Respon atau energi yang diserap dari atom akan direkam oleh detektor, dan nantinya akan bisa dilihat dalam bentuk spektrum. Hasil spektrum tersebut dapat membedakan struktur dan sifat dari suatuobjektersebut.
8
D. Aplikasi NMR
a. Aplikasi NMR di Dunia Medis (MRI) Pencitraan resonansi magnetik ( Magnetic Magnetic Resonance Imaging, MRI ) ialah gambaran potongan cara singkat badan yang diambil dengan menggunakan daya magnet yang kuat mengelilingi anggota badan tersebut. Berbeda dengan "CT scan", MRI tidak memberikan rasa sakit akibat radiasi karena tidak digunakannya sinar-X dalam proses tersebut. Magnetic Resonance Imaging Imaging (MRI) merupakan merupakan suatu teknik yang digunakan digunakan untuk menghasilkan gambar organ dalam pada organisme hidup dan juga untuk menemukan jumlah kandungan air dalam Struktur Geologi. Biasa digunakan untuk menggambarkan secara Patologi atau perubahan fisiologi otot hidup dan juga memperkirakan ketelusan batukepada ketelusan batukepada hidrokarbon. Cara Kerja MRI :
Pertama,
putaran
nukleus
atom
molekul
otot diselarikan dengan diselarikan dengan
menggunakan medan menggunakan medan magnet yang berkekuatan tinggi.
Kemudian, denyutan/pulsa frekuensi denyutan/pulsa frekuensi radio radio dikenakan pada tingkat menegak kepada garis medan magnet agar sebagian nuklei hidrogen nuklei hidrogen bertukar bertukar arah.
Selepas
itu,
frekuensi
radio
akan
dimatikan
menyebabkan nuklei berganti menyebabkan nuklei berganti
pada konfigurasi pada konfigurasi awal. Ketika ini terjadi, tenaga frekuensi radio dibebaskan yang dapat ditemukan oleh gegelung oleh gegelung yang yang mengelilingi pasien.
Sinyal ini dicatat dan data yang dihasilkan diproses oleh komputer untuk menghasilkan gambar otot.
Dengan ini, ciri-ciri anatomi ciri-ciri anatomi yang jelas dapat dihasilkan. Pada pengobatan, MRI digunakan untuk membedakan otot patologi seperti tumur otak tumur otak dibandingkan otot normal. Teknik ini bergantung kepada ciri tenang nuklei hidrogen yang dirangsang menggunakan magnet dalam air. dalam air. Bahan contoh ditunjukkan seketika pada tenaga radio frekuensi, yang dengan kehadiran medan megnet, membuatkan nuklei dalam keadaan bertenaga tinggi. Ketika molekul Ketika molekul kembali menurun kepada normal, tenaga akan dibebaskan ke sekitarnya, melalui proses yang dikenal sebagai relaksasi. Molekul bebas menurun pada ambang normal, tenang lebih pantas. Perbedaan antara kadar tenang merupakan asas gambar MRI--sebagai contoh, molekul air dalam darah
9
bebas untuk tenang lebih pantas, dengan itu, tenang pada kadar berbeda berbanding molekul air dalam otot dalam otot lain.
Kelebihan MRI
Salah satu kelebihan MRI adalah, menurut pengetahuan pengobatan pengobatan masa kini, tidak berbahaya kepada orang yang sakit. Berbanding dengan CT scans "computed axial tomography" yang menggunakan aksial tomografi berkomputer yang melibatkan dos radiasi mengion, MRI hanya menggunakan medan magnet kuat dan radiasi tidak mengion "non-ionizing" dalam jalur frekuensi radio. Bagaimanapun, perlu diketahui bahwa orang sakit yang membawa benda asing logam (seperti serpihan peluru) atau implant terbenam (seperti tulang Titanium buatan, atau pacemaker) tidak boleh dipindai di dalam mesin MRI, disebabkan penggunaan medan megnet yang kuat.
Satu lagi kelebihan scan MRI adalah kualitas gambar yang diperoleh biasanya mempunyai resolusi lebih baik berbanding CT scan. Lebih-lebih lagi untuk scan otak scan otak dan tulang belakang walaupun mesti dicatat bahwa bahwa CT scan kadangkala lebih berguna untuk cacat tulang. b. Bidang Biologi Molekuler Untuk protein dan protein komplek dengan massa molekuler sekitar 25-30 kDa kualitas spektra menurun dengan cepat membatasi mayor A ketika bekerja dengan
10
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. 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).
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 spektrokopi lebih sulit dari pada untuk protein yang dapat dilarutkan. Karena sistem membran yang nyata terlalu besar untuk diteliti dengan ekperimen larutan NMR, protein membran sering diencerkan dalam detergen micelles. Dari system micellar, spektra dapat diperoleh menggunakan TROSY (Transverse
Relaxation-Optimized
Spectroscopy).
Membran
protein
dalam
detergen/lemak micelles menghasilkan sedikit resonansi NMR dan signal 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 micelles, pelabelan isotop yang sesuai seperti ta nda 13C, 15N dari protein dan atau menggunakan detergen deuterasi, memastikan bahwa signal NMR protein dapat dideteksi dengan besar atau tanpa interferensi dari d ari signal molekul detergen.
11
E. Daftar Pustaka
hmk.mipa.ub.ac.id/pengertian-dan-prinsip-nmr/ . Diakses pada Selasa, 12 Desember 2017 pukul 13.00 WIB. WIB. news.labsatu.com. Diakses pada Selasa, 12 Desember 2017 pukul 13.00 WIB.
12
