MAGNETIK RESONANS INTI (MRI)

(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

(2)

Spektrum elektromagnetik

Agenda

Pendahuluan

Sifat Inti

Atom

Kuantisasi

Inti

1 _H

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

(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 1_{H 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) 1.67410-27 1.67410-27

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)

(4)

1.1 Sifat Inti Atom

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

•Contoh 12_{C : 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 1_H ₁ ₀ _½ _42.6 2_H ₁ ₁ ₁ _6.5 31_P ₁ ₀ _½ _17.3 23_Na ₁ ₂ _3/2 _11.3 15_N ₀ ₁ _½ _4.3 13_C ₀ ₁ _½ _10.7 19_F 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.

(5)

1.2 kuantisasi inti

1

_{H 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 1_{H  l = ½ sehingga jumlah orientasinya 2 (dinyatakan}

dengan bilangan kuantum magnetik, m yaitu l, l-1, l-2, ….-l. Sehingga untuk 1_{H hanya ada 2 tingkat energi yaitu m=- ½ dan}

m=+ ½

•Pecahnya tingkat energi pada medan magnet disebut Zeeman splitting

1.2 kuantisasi inti

1

_{H pada medan magnet}

•Besarnya E setara dengan kekuatan medan magnet

eksternal dan momen magnet inti .

•Penyerapan radiasi pd frekuensi tertentu setara dg E

1.2 kuantisasi inti

1

_{H pada medan magnet}

Persamaan Larmor:

Hubungan frekuensi  adsoprsi radiasi FR & kekuatan medan magnet

1.2 kuantisasi inti

1

_{H pada 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

(6)

1.2 kuantisasi inti

1

_{H pada medan magnet}

•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

1.2 kuantisasi inti

1

_{H pada medan magnet}

•Spektra NMR aktual untuk toluena. Kiri atas pada proton 300MHz, kiri bawah 13C 300MHz, kanan proton pada 60MHz

1.2 kuantisasi inti

1

_{H pada medan magnet}

•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=104_G

•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

(7)

1.2.1 saturasi dan kekuatan medan

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 Ns0 dan absorpsi 0. Sampel disebut tersaturasi

1.2.1 saturasi dan kekuatan medan

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

1. 3 Lebar Garis Absorpsi

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

(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

1. 3 Lebar Garis Absorpsi

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

1. 3 Lebar Garis Absorpsi

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)}

(9)

1. 3 Lebar Garis Absorpsi

•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

1. 3 Lebar Garis Absorpsi

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

(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 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

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

(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

(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

(13)