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 , 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
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 42.6
2H 1 1 1 6.5
31P 1 0 17.3
23Na 1 2 3/2 11.3
15N 0 1 4.3
13C 0 1 10.7
19F 1 0 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 = 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=- dan m=+
Pecahnya tingkat energi pada medan magnet disebut Zeeman splitting
1.2 kuantisasi inti 1H 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 1H pada medan magnet
Persamaan Larmor:
Hubungan frekuensi adsoprsi radiasi
FR & kekuatan medan magnet
1.2 kuantisasi inti 1H 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
2014/12/8
6
1.2 kuantisasi inti 1H 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 1H 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 1H 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=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 s
Top Related