Magnetik Resonans Inti Mri 1

2014/12/8

1

MAGNETIK RESONANS

INTI (MRI) Spektrometri

Divisi Kimia Analitik FMIPA IPB

Agenda

Pendahuluan

Percobaan FT-NMR

Geseran Kimia

Coupling spin-spin

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

• 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

Spektrum elektromagnetik

2014/12/8

2

Bagaimana Radiasi dan Materi Berinteraksi?

Spektrum elektromagnetik

Bagaimana Radiasi dan Materi Berinteraksi?

Agenda

Pendahuluan

Sifat Inti Atom

Kuantisasi Inti 1H pada

Medan Magnet

Lebar Garis

Absorpsi

Pendahuluan

• 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

2014/12/8

3

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

• Diasumsikan inti berotasi pada aksis dan memiliki spin inti 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

• Dimana l adalah bilangan kuantum spin

1.1 Sifat Inti Atom

• Inti memiliki sifat

magnet pada skala

yang sangat kecil

• Inti terdiri dari

proton dan neutron

dengan sifat spt

pada Tabel

Characteristic Neutron Proton

Mass (kg) 1.67410-27 1.67410-27

Charge (coulomb) 0 1.602 10-19

Spin quantum number ½ ½

Magnetic moment (joule/tesla) -9.66 10-27 1.41 10-26

Magnetic moment (nuclear

magnetron)

-1.91 2.79

2014/12/8

4

1.1 Sifat Inti Atom

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

• Contoh 12C : 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.

1.1 Sifat Inti Atom

Inti Atom Jumlah

proton tak

berpasangan

Jumlah

neutron tak

berpasangan

Total spin (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

13C 0 1 ½ 10.7

19F 1 0 ½ 40.1

1.1 Sifat Inti Atom

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

Penting

di

senyawa

organik

1.1 Sifat Inti Atom

• Bentuk kedua dari energi inti ialah magnetik

• Tiap pergerakan muatan listrik menghasilkan medan magnet

• Momen magnet inti menggambarkan pembesaran dari dipol

magnet

• 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.

2014/12/8

5

1.2 kuantisasi inti 1H pada medan magnet

• Ketika inti ditempatkan pada medan magnet uniform yang 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


• Besarnya E setara dengan kekuatan medan magnet

eksternal dan momen magnet inti .

• Penyerapan radiasi pd frekuensi tertentu setara dg E


Persamaan Larmor:

Hubungan frekuensi adsoprsi radiasi

FR & kekuatan medan magnet


• Inti juga berputar pada aksis akibat medan magnet

eksternal. Perputaran ini disebut precession

• 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

2014/12/8

6


• 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


• Ketika inti menyerap energi, akan tereksitasi dan mencapai

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)

1.2.1 saturasi dan kekuatan medan

magnet • Perbedaan energi antara keadaan dasar dan keadaan inti tereksitasi

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

2014/12/8

7


magnet • Kelebihan jumlah molekul yang tidak tereksitasi

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

• Jika medan RF diberikan terlalu intens, semua inti akan

tereksitasi Ns0 dan absorpsi 0. Sampel disebut

tersaturasi


magnet • Intensitas medan magnet harus kuat untuk menghindari

saturasi

• Kekuatan medan meningkat, sinyal intensitas NMR

meningkat

• Memaksa untuk mengembangkan NMR dengan medan

magnet yang kuat

1. 3 Lebar Garis Absorpsi

• Resolusi atau pemisahan dua garis absorpsi bergantung

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


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

2014/12/8

8


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


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:

• 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


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

2014/12/8

9





• 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


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

Agenda

Pendahuluan

Percobaan FT-NMR

Geseran Kimia

Coupling spin-spin

Instrumentasi

Aplikasi Analitik


2014/12/8

10

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 NMRfrekuensi RF diberikan ke sampel sebagai pulsa radiasi pendek dalam waktu singkat

• Pada instrumen NMR modern, medan B1 diberikan sebagai pulsa pada waktu singkat (10s) dengan beberapa detik antar pulsa

Percobaan FT-NMR

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


2014/12/8

11

Geseran Kimia

• Persamaan Larmor: posisi proton dalam sampel yang diberikan 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

Geseran Kimia

• Inti terlindungi beresonansi 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

2014/12/8

12

Rentang rata-rata geseran kimia (Chemical Shift)

untuk proton dalam tipe molekul berbeda

Geseran Kimia

• 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.

Type of Proton Structure Chemical Shift, ppm Cyclopropane C3H6 0.2

Primary R-CH3 0.9

Secondary R2-CH2 1.3

Tertiary R3-C-H 1.5

Vinylic C=C-H 4.6-5.9

Acetylenic triple bond,C=C-H 2-3

Aromatic Ar-H 6-8.5

Benzylic Ar-C-H 2.2-3

Allylic C=C-CH3 1.7

Fluorides H-C-F 4-4.5

Chlorides H-C-Cl 3-4

Bromides H-C-Br 2.5-4

Iodides H-C-I 2-4

Alcohols H-C-OH 3.4-4

Ethers H-C-OR 3.3-4

Esters RCOO-C-H 3.7-4.1

Esters H-C-COOR 2-2.2

Acids H-C-COOH 2-2.6

Carbonyl Compounds H-C-C=O 2-2.7

Aldehydic R-(H-)C=O 9-10

Hydroxylic R-C-OH 1-5.5

Phenolic Ar-OH 4-12

Enolic C=C-OH 15-17

Carboxylic RCOOH 10.5-12

Amino RNH2 1-5

2014/12/8

13

Agenda

Pendahuluan

Percobaan FT-NMR

Geseran Kimia

Coupling spin-spin

Instrumentasi

Aplikasi Analitik


Documents

Magnetik Resonans Inti Mri 1