Mengenal Cara Kerja NMR dan Fungsinya

Mengenal Cara Kerja NMR dan Fungsinya

Spektrometri NMR (Nuclear Magnetic Resonance = Resonansi Magnetik Inti) berhubungan dengan sifat magnet dari inti atom. Spektroskopi NMR didasarkan pada penyerapan panjang gelombang radio oleh inti-inti tertentu dalam molekul organik, apabila molekul ini berada dalam medan magnet yang kuat.  Inti atom unsur-unsur dapat dikelompokkan menjadi dua, yakni atom unsur yang mempunyai spin atau tidak mempunyai spin. Spin inti akan menimbulkan medan magnet. Dari resonansi magnet proton (RMP), akan diperoleh informasi jenis hidrogen, jumlah hidrogen dan lingkungan hidrogen dalam suatu senyawa begitu juga dari resonansi magnet karbon (RMC).

Sifat Magnetik Inti dan Resonansi

Suatu inti dengan jumlah proton ganjil mempunyai muatan dan spin, sehingga mempunyai momen magnetik. Dalam sekumpulan atom, orientasi spinnya dalam ruang berada dalam keadaan acak. Namun demikian, jika diletakkan dalam medan magnet momen magnet tersebut akan terorientasi umpamanya inti hidrogen mempunya dua orientasi yang mungkin, yaitu satu spin searah dan yang lainnya berlawanan arah dengan medan magnet luar. Kedua orientasi tersebut mempunyai perbedaan energi (DE) yang sangat kecil, dan dapat digambarkan seperti gambar beikut:

 

Perbedaan Energi

Jika atom-atom diletakkan dalam suatu medan magnet, dapat terjadi transisi antara kedua tingkat energi tersebut diatas, dengan jalan penyerapan energi terkuantum hv. Perbedaan energi kedua tingkat tersebut sangat kecil (sesuai dengan frekuensi gelombang radio). Hidrogen adalah atom yang hanya

mempunyai dua tingkat kuantum terinduksi oleh magnet, akan tetapi atom-atom dengan spin nuklir yang mempunyai banyak tingkat energi.

Prinsip Dasar

Prinsip dalam spektrometri NMR yaitu bila sampel yang mengandung ¹H atau ¹³C (bahkan semua senyawa organik) ditempatkan dalam medan magnet, akan timbul interaksi antara medan magnet luar tadi dengan magnet kecil (inti). Karena adanya interaksi ini, magnet kecil akan terbagi atas dua tingkat energi (tingkat yang sedikit agak lebih stabil (+) dan keadaan yang kurang stabil (-)) yang energinya berbeda. Karena inti merupakan materi mikroskopik, maka energi yang berkaitan dengan inti ini terkuantisasi, artinya tidak kontinyu. Perbedaan energi antara dua keadaan diberikan oleh persamaan.

E = γhH/2π

H yaitu kuat medan magnet luar (yakni magnet spektrometer), h yaitu tetapan Planck, γ yaitu tetapan khas bagi jenis inti tertentu, disebut dengan rasio giromagnetik dan untuk proton nilainya 2,6752 x 10⁸ kg^-1 s A (A= amper).

Bila sampel disinari dengan gelombang elektromagnetik (ν) yang berkaitan dengan perbedaan energi (E),

E = hν

Inti dalam keadaan (+) mengabsorbsi energi ini dan tereksitasi ke tingkat energi (-). Proses mengeksitasi inti dalam medan magnetik akan mengabsorbsi energi (resonansi) disebut nuclear magnetic resonance (NMR).

Frekuensi gelombang elektromagnetik yang diabsorbsi diungkapkan sebagai fungsi H.

ν = γH/2π

Bila kekuatan medan magnet luar, yakni magnet spektrometer, adalah 2,3490 T(tesla;      1 T = 23490 Gauss), ν yang diamati sekitar 1 x 10⁸ Hz = 100 MHz. Nilai frekuensi ini di daerah gelombang mikro.

Secara prinsip, frekuensi gelombang elektromagnetik yang diserap ditentukan oleh kekuatan magnet dan jenis inti yang diamati. Namun, perubahan kecil dalam frekuensi diinduksi oleh perbedaan lingkungan kimia tempat inti tersebut berada. Perubahan ini disebut pergeseran kimia. Dalam spektrometri ¹H NMR, pergeseran kimia diungkapkan sebagai nilai relatif terhadap frekuensi absorpsi (0 Hz) tetrametilsilan standar (TMS) (CH₃)₄Si.

Frekuensi resonansi (frekuensi absorpsi) proton (atau inti lain) sebanding dengan kekuatan magnet spektrometer. Perbandingan data spektrum akan sukar bila spektrum yang didapat dengan magnet berbeda kekuatannya. Untuk mencegah kesukaran ini, skala δ, yang tidak bergantung pada kekuatan medan magnet, dikenalkan. Nilai δ didefinisikan sebagai berikut.

δ = (ν/ν) x 10⁶ (ppm)

ν merupakan perbedaan frekuensi resonansi (dalam Hz) inti yang diselidiki dari frekuensi standar TMS (dalam banyak kasus) dan ν frek uensi (dalam Hz) proton ditentukan oleh spektrometer yang sama. Karena nilai ν/ν sedemikian kecil, nilainya dikalikan dengan 10⁶. Jadi nilai δ diungkapkan dalam satuan ppm.

Peralatan.

Pada pokoknya spektrometer NMR terdiri atas 6 unit dasar, lihat Gambar-7

1.    Magnet : magnet biasa atau elektromagnet yang mampu menghasilkan medan magnet kuat, setabil dan homogen untuk memisahkan tingkat energi inti.

2.      Kumparan transmiter : untuk menghasilkan energi radiasi RF. Kumparan ini letaknya tegak lurus pada kumpulan penyapu (sweep coils).

3.    “Sweep generator” : untuk menyapu medan magnet melalui daerah resonansi untuk menghasilkan spektrum.

4.      Kumparan penerima : mengelilingi tempat sampel untuk merangkaikan sampel dengan penerima RF.

5.      Detektor : untuk memproses signal-signal NMR.

6.      Rekorder : untuk menggambar spektrum, baik mode absorbsi maupun integrasi.

Tempat sampel, lihat gambar : berikut,

 

Mengenal Cara Kerja NMR dan Fungsinya

terletak pada madan magnet elektromagnet dengan medan RF yang tegak lurus terhadap medan magnet. Medan magnet dari kumparan sweep generator disapukan secara perlahan (menarik) ke daerah resonansi. Pada resonansi terjadi suatu perubahan pada dipol magnetik inti suatu voltase akan terinduksi ke kumparan penerima, yang lalu diperkuat, dideteksi dan dicatat. Spektrum yang dihasilkan merupakan gambaran antara energi transisi resonansi terhadap intensitas.

Sampel di letakkan pada suatu tabung gelas yang berdinding tipis dengan diameter luar 5 mm. Turbin tiupan udara akan memutar sampel dengan kecepatan beberapa ratus putaran tiap menit (rpm) untuk menjaga kehomogenan medan magnet yang mengenainya. Pada spektrum terdapat juga puncak-puncak tambahan yang dihasilkan oleh perputaran sampel, sebab pada frekuensi (kecepatan) putaran ini puncak-puncak resonansi mengalami sedikit perubahan.

Interpretasi Spektrum.

Langkah-langkah yang perlu diperhatikan adalah :

1.      Jumlah sinyal, menerangkan jumlah proton yang berbeda dalam molekul. Inti yang ekuivalen tidak tidak saling berinteraksi hanya akan menghasilkan satu sinyal.

2.      Kedudukan sinyal, menerangkan lingkungan elektronik setiap macam proton. Semakin kurang inti suatu inti proton tertamengi oleh awan elektron akibat induksi gugus elektronegatif, semakin kearah medan rendah (down field) puncaknya.

3.      Intensitas sinyal, menerangkan berapa banyak proton yang ada pada setiap puncak spektrum. Perbandingan jumlah protonnya sesuai dengan perbandingan tinggi garis integrasinya.

4.      Pemecahan (splitting) sebuah sinyal menjadi beberapa puncak menerangkan jumlah proton tetangganya. Pemecahan oleh n proton yang ekuivalen dari atom yang berdekatan akan menghasilkan ( n + 1 ) puncak. Jika suatu proton (B) dipengaruhi oleh dua kelompok proton tetangga (A dan C) yang tidak ekuivalen maka banyaknya garis B menjadi ( nA + 1 ) ( nC + 1 ), jika nA = proton pada A dan nC = proton pada C.

5.      Konstanta Kopling, makin kecil jika jarak kedua gugus yang berinteraksi makin jauh. Pada jarak 3 ikatan sudah tidak terjadi interaksi lagi. Konstanta Kopling tidak dipengaruhi oleh kuat medan yang dipakai, akan tetapi pergeseran kimia dipengaruhi oleh kuat medan tersebut.

 

Beberapa Penggunaan Spektrometer NMR.

Spektrometri NMR ini memberikan banyak informasi mengenai kedudukan gugus fungsi. Ada empat parameter yang dapat membantu menginterpretasi spektra NMR.

(1) pergeseran kimia,

(2) penjodohan spin,

(3) tetapan penjodohan dan pola penjodohan, dan

(4) integrasi.

Untuk memastikan kebenaran struktur yang dianalisis, metode ini sering dibantu dengan spektroskopi 2-D yaitu

(1) HMQC (Heteronuclear Multiple Quantum Coherence),

(2) HMBC (Heteronuclear Multi Bond Coherence),

(3) COSY (Correlation Spectroscopy) dan

(4) NOESY (Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy).

Beberapa pemakaian umum dari studi penggunaan NMR meliputi :

1.      Analisa Kuantatif, sebagai contoh penentuan campuran benzaldehida, etanol dan toluen.

2.      Isomerisasi sis – trans.

3.      Efek ikatan hidrogen pada pergeseran kimia.

4.      Efek substitusi halogen pada hidrokarbon.

5.      Penentuan struktur molekul.

6.      Pengukuran kekristalan dalam polimer.

7.      Kesetimbangan larutan dan perubahan kinetik.

8.      Kesetimbangan protonisasi dan pengompleksan logam.

9.      Derajat dentrasi.

10.  Efek dari asimetri molekular.

11.  Tantomerisasi keto-enol.

12.  Studi struktur alkaloid, steroida, asam lemak dsb.

13.  Studi kinatik untuk rotasi terbatas (restricted rotation) dan isomerisasi.