BAB I PENDAHULUAN
1. Latar Belakang
Spektroskopi nuklir magnetik resonansi 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 H1 (proton) dan NMR C13(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 C13, suatu alat paling baru dipakai untuk mengidentifikasi perbedaan macam – macam macam karbon dalam suatu senyawa. Spektroskopi nmr didasarkan pada penyerapan gelombang radio oleh 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 garis-garis resonansi orientasi magnet yang berbeda. Ini adalah awal lahirnya Nuclear Magnetic Resonance (NMR).
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 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 biasanya membentuk atom hidrogen dengan jumlah yang sangat besar [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.
2. Rumusan Masalah
a. Apa pengertian dari neuclear magnetic resonance (NMR) dan kegunaan alat tersebut? b. Sebutkan bagian dan jenis neuclear magnetic resonance (NMR)? c. Bagaimana cara pengaplikasian neuclear magnetic resonance (NMR)? 3. Tujuan
a. Untuk mengetahui pengertian neuclear magnetic resonance (NMR). b. Untuk mengetahui bagian dan jenis neuclear magnetic resonance (NMR). c. Untuk mengetahui pengaplikasian neuclear magnetic resonance (NMR).
BAB II PEMBAHASAN
1. NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE (NMR)
1.1 Definisi Neuclear Magnetic Resonance (NMR)
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 sebagaimana hubungan komponen dalam larutan yang dapat mengalami reaksi kimia. 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 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 men jelaskan jumlah atom hidrogen yang relatif yang keluar pada masing-masing 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 Kegunaan Nuclear Magnetic Resonance
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 . 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 struktural. 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 dankarbon 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 inti yang penting secara biologi. Ketika pada medan magnet konstan, frekuensi NMR dari inti hanya bergantung pada momen magnetnya, frekuensi 1H paling tinggi pada spektrometer
yang sama. Sebagai contoh, pada spektrometer 360MHz untuk 1H, frekuensi untuk 31P adalah 145,76 MHz dan untuk 13C adalah sekitar 90MHz.. 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 memahami struktur dan fungsi asam nukleat dan protein. Teknik ini dapat digunakan untuk berbagai variasi sampel, dalam bentuk padat atau pun larutan. Aplikasi
Spektroskopi
NMR.
Biasanya
digunakan
untuk
mengidentifikasi
atau
menjelaskan informasi struktur rinci tentang senyawa kimia. Sebagai c ontoh: 1. Menentukan kemurnian obat-obatan. 2. Mengidentifikasi kontaminan dalam makanan, kosmetik, atau obat-obatan 3. Membantu ahli kimia penelitian menemukan apakah reaksi kimia telah terjadi di situs yang benar pada molekul. 4. Mengidentifikasi obat disita oleh polisi dan agen bea cukai. 5. Memeriksa struktur plastik, untuk memastikan mereka akan memiliki sifat yang diinginkan. 2. Bagian dan jenis neuclear magnetic resonance (NMR)
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 3060 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 dengan perbedaan sekitar 10-3 gauss. Perubahan medan ini disinkronisasikan secara linier dengan perubahan waktu. Untuk alat 60 MHz (proton), range sapuannya adalah 235 x 10-3 gauss. Untuk F19, C13, 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.
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.
3. Aplikasi neuclear magnetic resonance (NMR)
1. 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.
2. 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.
3. 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 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.
4. Bagan alat dan keterangan komponennya
Instrumen NMR terdiri atas komponen-komponen utama berikut (Khopkar, 2003 & Sastrohamidjojo, 1994) : 1. Magnet ; kekuatan magnet menentukan akurasi dan kualitas suatu alat NMR. Ada tiga jenis magnet yang dipakai :
Magnet permanen
Elektromagnet
Magnet superkonduksi
Magnet Akurasi dan kualitas suatu alat NMR tergantung pada kekuatan magnetnya. Resolusiakan
bertambah
magnetnyahomogen Magnetpermanen
dengan
elektromagnet
mempunyai
kuat
kenaikkan dan
kekuatan
kumparan
medan
medannnya,
superkonduktor
7046-14002
G,
ini
bila
medan
(selenoids).
sesuai
dengan
frekuensioskilator antara 30-60 MHz. Termostat yang baik diperlukan karena magnet bersifatpeka
terhadap
temperatur.
Elektromagnet
memerlukan
sistem
pendingin,elektromagnet yang banyak di pasaran mempunyai frekuensi 60, 90 dan 100 MHzuntuk proton. NMR beresolusi tinggi dan bermagnet superkonduktor dengan frekuensiproton 470 MHz. Pengaruh fluktuasi medan dapat diatasi dengan sistem penguncifrekuensi, dapat berupa tipe pengunci eksternal atau internal. Pada tipe eksternalwadah senyawa pembanding dengan senyawa sampel berada pada tempat terpisah,sedang pada tipe internal senyawa pembanding larut bersama-sama sampel. Senyawapembanding biasanya tetrametilsilan (TMS). 2. 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-ubahdengan perbedaan sekitar 10-3 gauss. Perubahan medan ini disinkronisasikan secaralinier dengan perubahan waktu. Untuk alat 60 MHz (proton), range sapuannya adalah235 x 10-3gauss. Untuk F19, C13, diperlukan sapuan frekuensi sebesar 10 KHz. 3. Sumber frekuensi radio, sinyal frekuensi oskilasi radio (transmiter) disalurkan pada sepasang kumparan yangpossinya 90º terhadap jalar dan magnet. Suatu oskilator yang tetap sebesar 60, 90atau 100 MHz digunakan dalam NMR beresolusi tinggi. 4. Detektor sinyal Sinyal frekuensi radio yang dihasilkan oleh inti yang beresolusi dideteksi dengan kumparan yang mengitari sampel dan tegak lurus terhadap sumber. Sinyal listrik yangdihasilkan lemah dan biasanya dikuatkan dulu sebelum dicatat. 5. Perekaman (Rekorder) Pencatat sinyal NMR disinkronisasikan dengan sapuan medan, rekorder mengendalikan laju sapuan spektrum. Luas puncak dapat digunakan untukmenentukan jumlah relatif inti yang mengabsorpsi. 6. Tempat sampel dan kelengkapannya (Tempat sampel dan probe) Tempat sampel merupakan tabung gelas berdiameter 5mm dan dapat diisi cairansampai 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 tidak 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. (Khopkar, 2003).
Daftar Pustaka
Khopkar, S. (2003). Konsep Dasar kimia Analitik. Jakarta: UI-Press. Sastrohamidjojo, H. (1994). Spektroskopi Resonansi Magnetik Inti (Nuclear Magnetic Resonance, NMR). Yogyakarta: Liberty. TMS,
